JP2008311603A - 基板の表面処理装置及び方法、並びに基板処理装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】真空装置を用いることなく、大気中で基板表面の清浄化処理を行うことができ、またプラズマクリーニングによることなく、基板表面の自然酸化膜あるいは有機物を除去できるようにする。
【解決手段】基板表面の全面または一部に不活性ガスを供給して酸素遮断ゾーン１０６を形成する不活性ガス供給部１２と、基板表面を所定温度に維持する加熱部１６と、酸素遮断ゾーン３０に清浄化ガスを供給して基板表面を清浄化する清浄化ガス供給部１４を有する。
【選択図】図８

Description

本発明は、例えば半導体デバイスの製造工程において、半導体ウェーハ等の基板の表面の有機物や金属表面酸化物等の汚染を除去して該表面を清浄化するのに使用される基板の表面処理装置及び方法に関する。また、本発明は、基板の表面を平坦かつ鏡面状に研磨する基板処理装置及び方法に関する。

例えば、半導体ウェーハ等の基板の表面に存在する有機物や基板の表面に形成した銅配線の表面に生成される自然酸化膜は、真空排気後、基板を１３０℃以上に加熱しながら、ガス圧力４０Ｐａ以上の蟻酸ガス雰囲気中に置くことで除去できることが確かめられている。この場合の典型的な処理時間は、蟻酸ガス圧力４００Ｐａ、基板温度２００℃の時、０．１分程度である。

一方、半導体デバイスの製造工程では、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）処理やめっき処理等の大気中での処理の前後で基板表面の清浄化処理が必要な場合がある。例えば、図１に示すように、基板の表面に、例えば銅からなる下層配線膜をめっきで形成し、ＣＭＰによって下層配線膜の表面を平坦に研磨して下層配線を形成する。そして、基板の表面に絶縁膜を成膜し、絶縁膜中に溝（トレンチ）を形成した後、基板の表面にバリアメタルを成膜し、しかる後、バリアメタルの表面に、例えば銅からなる上層配線膜をめっきで形成し、ＣＭＰによって上層配線膜の表面を平坦に研磨して上層配線を形成することが広く行われている。

このような場合、上層配線を形成する前の下層配線の表面に自然酸化膜が生成されたり、ＣＭＰ工程で配線材料である銅の腐食抑制のために用いられたベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）等の有機物が基板表面に残ったりする場合がある。この自然酸化膜及び有機物は、共に上層配線と下層配線との間の電気的接続を阻害する要因となる。
このため、例えばプラズマクリーニングによって、配線表面に生成された自然酸化膜を除去することが行われていた。

近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。このような基板の表面を平坦化する一手段として、化学機械研磨（ＣＭＰ）を行う化学機械研磨装置が知られている。

この種の化学機械研磨（ＣＭＰ）装置は、研磨パッドを上面に有する研磨テーブルとトップリングとを備えている。そして、研磨テーブルとトップリングとの間に基板（ウェーハ）を介在させて、研磨パッドの表面に砥液（スラリ）を供給しつつ、トップリングによって基板を研磨テーブルに押圧して、基板の表面を平坦かつ鏡面状に研磨するようにしている。

基板の表面に形成された金属皮膜を化学機械研磨して平坦化する場合には、例えば、スラリ中の酸化剤により金属皮膜を酸化すると同時に、スラリ中のキレート剤により直ちに酸化皮膜を不溶解性錯体化し、この錯体をスラリ中に含まれる砥粒などにより研磨除去することが行われる。

基板の表面に銅などの金属皮膜が形成されている場合、研磨を開始する以前に、空気中の水分や酸素によって金属皮膜上に自然酸化膜が成長する場合がある。自然酸化膜が金属皮膜上に形成されていると、キレート剤によって基板の表面が錯体化されにくくなる。また、自然酸化膜自体は錯体よりも研磨されにくいという性質を有している。したがって、基板表面に膜厚が不均一な自然酸化膜が形成された場合に該基板表面を化学機械研磨で研磨すると、局所的に研磨が進行せず、表面の均一な平坦化を実現できないことがある。

このため、基板に形成された金属皮膜上の自然酸化膜を除去した状態で基板の金属皮膜を研磨し、基板表面の均一な平坦化を実現するために、平坦化除去処理に先立って、平坦化処理ユニットと一体に組み込んだ酸化膜除去処理ユニットにより、基板表面の自然酸化膜を除去することが提案されている。この酸化膜除去処理ユニットとして、酸の薬液を用いる湿式処理ユニットと真空装置内で酸化膜を還元あるいはエッチング処理する乾式処理ユニットが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

なお、蟻酸ガスを使用して銅表面の自然酸化膜をクリーニングした後に大気中に放置した時、銅表面には、クリーニング後、３分４０秒で０．５ｎｍ程度の膜厚の自然酸化膜が生成されることが報告されている（非特許文献１参照）。したがって、蟻酸ガスによりクリーニングした後の自然酸化膜の成長速度特性を理解した上で、次工程の処理内容を決めることにより、次工程での特性改善が期待できると考えられる。
特開２００５−２７７３９６号公報 須崎、石川、三好、立石、嶺、嶋、福永、辻村、「Cu表面の自然酸化膜成長と蟻酸ガスによる酸化膜の除去」、２００５年秋季応用物理学会学術講演会予稿集、社団法人応用物理学会、平成１７年９月７日、第２分冊、ｐ．７０５

しかしながら、基板を真空中で処理するためには、真空容器及び真空排気手段が必要となり、装置自体が大型化するばかりでなく、真空容器内を真空排気する工程と大気圧に復帰させる工程が必要となって、処理時間がかなり長くなってしまう。

また、プラズマクリーニングによって、基板表面の自然酸化膜を除去する場合、配線幅の微細化が進むにつれて、プラズマクリーニングによる半導体デバイスの損傷が顕在化してしまうばかりでなく、基板の表面に残ったＢＴＡを除去する有効な手段がないのが現状であった。このため、基板表面のＢＴＡを除去することができる、プラズマクリーニングに代わる新たな基板の表面処理方法の開発が強く望まれていた。

なお、酸の薬液を用いる湿式処理で基板表面の自然酸化膜を除去すると、基板内に形成された機能素子に損傷を与えることがあり、高集積半導体の酸化膜除去としては、湿式処理を避けることが望ましい。更に、真空装置を用いた乾式処理で基板表面の自然酸化膜を除去しようとすると、通常、真空処理室とその前後で基板を出し入れする真空予備室の計３つの真空室と真空ポンプが必要となり、化学機械研磨装置に組込むには、酸化膜除去処理装置自体が大型になり、実用的な構成は困難であった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、真空装置を用いることなく、大気中で基板表面の清浄化処理を行うことができ、しかもプラズマクリーニングによることなく、基板表面の自然酸化膜及びＢＴＡ等の有機物を同時に除去できるようにした基板の表面処理装置及び方法を提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、基板表面に形成された金属皮膜上の自然酸化膜を大気中での乾式処理で除去し、しかる後、直ちに金属皮膜を化学機械研磨して、基板表面の均一な平坦化が実現できるようにした基板処理装置及び方法を提供することを第２の目的とする。

請求項１に記載の発明は、基板表面の全面または一部に不活性ガスを供給して酸素遮断ゾーンを形成する不活性ガス供給部と、基板表面を所定温度に維持する加熱部と、前記酸素遮断ゾーンに清浄化ガスを供給して基板表面を清浄化する清浄化ガス供給部を有することを特徴とする基板の表面処理装置である。

これにより、基板表面の全面または一部に不活性ガスを供給して酸素遮断ゾーンを形成した状態で、基板を所定温度に維持しながら、酸素遮断ゾーンに清浄化ガスを供給することで、基板表面の清浄化ガスによる清浄化処理を行うことができる。この場合の清浄化処理中の基板上雰囲気は、実質的に酸素を含まず、不活性ガスと清浄化ガスのみであり、圧力は略大気圧である。これによって、大気中の処理に連続して基板の表面処理（清浄化処理）を行うことができる。

請求項２に記載の発明は、表面を清浄化した後の基板を冷却する冷却部を有することを特徴とする請求項１記載の基板の表面処理装置である。
これにより、基板を清浄化した後の基板を、例えば５０℃まで冷却部で冷却してから、装置から取り出して次工程に搬送することができる。

請求項３に記載の発明は、前記清浄化ガスは、カルボン酸ガスまたは還元性ガスであることを特徴とする請求項１または２記載の基板の表面処理装置である。
蟻酸、酢酸またはプロピオン酸等のカルボン酸は、比較的安価であるばかりでなく、常温で液体であるので取扱いが容易であり、有機物や酸化物と反応して気化させることができる。従って、清浄化ガスとして、カルボン酸、特に蟻酸、酢酸またはプロピオン酸ガスを使用することで、有機物や酸化物を、容易且つ安価に、例えば揮発、昇華または分解させて除去することができる。還元性ガスとしては、例えば水素ガスが挙げられる。

請求項４に記載の発明は、前記酸素遮断ゾーンに供給される清浄化ガスの流れを規制する気流規制機構と該気流規制機構内部を排気する排気部を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の基板の表面処理装置である。
これにより、酸素遮断ゾーンに供給された清浄化ガスの流れを規制し、清浄化ガスが装置の外部に流出するのを防止することができる。

請求項５に記載の発明は、基板表面の全面または一部に不活性ガスを供給して酸素遮断ゾーンを形成しながら、基板表面を所定温度に維持し、前記酸素遮断ゾーンに清浄化ガスを供給して基板表面を清浄化することを特徴とする基板の表面処理方法である。
請求項６に記載の発明は、表面を清浄化した基板を冷却することを特徴とする請求項５記載の基板の表面処理方法である。

請求項７に記載の発明は、基板表面に不活性ガスを供給しながら、表面を清浄化した基板を冷却することを特徴とする請求項６記載の基板の表面処理方法である。
これにより、清浄化処理する前より一般に活性である清浄化処理後の基板表面が再酸化されるのを防止することができる。

請求項８に記載の発明は、前記清浄化ガスは、カルボン酸ガスまたは還元性ガスであることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の基板の表面処理方法である。
請求項９に記載の発明は、前記基板表面の清浄化を、略大気圧下で行うことを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の基板の表面処理方法である。

請求項１０に記載の発明は、前記基板表面の清浄化を、基板を１２０℃以上の温度に維持して行うことを特徴とする請求項５乃至９のいずれかに記載の基板の表面処理方法である。
請求項１１に記載の発明は、前記基板表面の清浄化を、０．５分以上に亘って行うことを特徴とする請求項５乃至１０のいずれかに記載の基板の表面処理方法である。

請求項１２に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の基板の表面処理装置と、基板表面を化学機械研磨する化学機械研磨装置と、前記表面処理装置と前記化学機械研磨装置との間で基板を搬送する搬送機構を有することを特徴とする基板処理装置である。
これにより、小型コンパクト化が可能な基板の表面処理装置と化学機械研磨装置を組合せることで、基板処理装置自体の小型コンパクト化を図りながら、基板表面に形成された金属皮膜上の自然酸化膜を大気中での乾式処理で除去し、しかる後、直ちに金属皮膜を化学機械研磨することができる。

請求項１３に記載の発明は、前記表面処理装置及び前記化学機械研磨装置は、同一の装置フレーム内に配置されていることを特徴とする請求項１２項記載の基板処理装置である。
請求項１４に記載の発明は、前記表面処理装置と前記化学機械研磨装置は、別体で構成されて互いに離間して配置されていることを特徴とする請求項１２項記載の基板処理装置である。
基板の表面処理装置と化学機械研磨装置の処理能力、若しくは設置スペース等の観点から、両装置を独立させて運用するようにしてもよい。

請求項１５に記載の発明は、金属皮膜を有する基板表面に不活性ガスを吹付けながら該基板表面を所定温度に維持し、基板表面に不活性ガスに加えて有機酸ガスを供給することにより前記基板表面に形成された変質層を除去し、しかる後、前記金属皮膜を化学機械研磨することを特徴とする基板処理方法である。
これにより、より小型の装置の装置で基板表面の変質層を除去し、更に金属皮膜の化学機械研磨厚さをより均一に保つことができる。
請求項１６に記載の発明は、前記変質層は、酸化膜であることを特徴とする請求項１５記載の基板処理方法である。

本発明の基板の表面処理装置によれば、真空装置を用いることなく、基板表面から酸素を遮断した状態で、基板表面の有機物または金属表面酸化物等の汚染を除去して該表面を清浄化することができる。これによって、表面処理装置の小型コンパクト化と、処理時間のより短縮化を図ることができる。しかも、プラズマエッチングによることなく、したがって、半導体デバイスに損傷を与えることなく、基板の表面に残ったＢＴＡも除去することができる。
本発明の基板処理装置によれば、装置が小型に構成できる基板の表面処理装置を用いて有機酸ガスで金属皮膜表面の自然酸化膜を除去した後、直ちに、基板表面の金属皮膜の化学機械研磨処理を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
以下の例では、不活性ガスとして窒素ガスを、清浄化ガスとして蟻酸ガスをそれぞれ使用している。なお、清浄化ガスとしては、蟻酸ガス以外の酢酸ガスやプロピオン酸ガス等の他のカルボン酸ガスや、水素ガス等の還元性ガスを使用することができる。不活性ガスは、窒素ガスに限定されないことは勿論である。

図２及び図３は、半導体ウェーハ等の基板表面の全面を酸素遮断状態にして清浄化処理を行うようにした、本発明の実施の形態の基板の表面処理装置を示す。図２及び図３に示すように、この表面処理装置は、表面を上向きにして基板Ｗを載置保持する上下動自在なリフタ１０と、リフタ１０で保持した基板Ｗの表面（上面）に窒素ガス（不活性ガス）を供給する不活性ガス供給部１２と、リフタ１０で保持した基板Ｗの表面（上面）に、この例では蟻酸ガス（清浄化ガス）と窒素ガスの混合ガスを供給する清浄化ガス供給部１４と、基板Ｗを上面に載置した状態で該基板Ｗを加熱して所定温度に維持する加熱部１６を有している。

この例において、リフタ１０は、加熱部１６の内部を上下に貫通する貫通孔１６ａ内を上下方向に延びており、上昇して、基板Ｗをリフタ１０で保持したまま加熱部１６から遠ざけることで基板Ｗを自然冷却する冷却部としての役割を兼用している。

不活性ガス供給部１２は、リフタ１０の上方に配置され、リフタ１０で保持した基板Ｗの表面（上面）に向けて窒素ガス（不活性ガス）を噴出する多数の噴出口２０ａを下面に有する円盤状のシャワーヘッド２０と、このシャワーヘッド２０に窒素ガスを供給する不活性ガス配管２２を有している。不活性ガス配管２２には、この下流側から順に、開閉弁２４ａ、不活性ガス配管２２内を流れる窒素ガスの流量を調節する流量調節弁２６及び該流量調節弁２６に供給される窒素ガスの圧力を調節する減圧弁２８がそれぞれ設けられている。

この不活性ガス供給部１２は、リフタ１０で保持した基板Ｗの表面（上面）に向けて、シャワーヘッド２０の噴出口２０ａから不活性ガスを噴出することで、基板Ｗの表面とシャワーヘッド２０との間に、窒素ガスによって酸素を遮断した酸素遮断ゾーン３０を基板Ｗの全域に亘って形成するように構成されている。シャワーヘッド２０は、上下動自在に構成され、不活性ガス配管２２には、伸縮自在で、シャワーヘッド２０の上下動が阻害されるのを防止する蛇腹部３２が設けられている。

清浄化ガス供給部１４は、バブラ４０と、不活性ガス供給部１２の不活性ガス配管２２から減圧弁２８の上流側で分岐したバブラ配管４２と、不活性ガス供給部１２の不活性ガス配管２２に開閉弁２４ａと蛇腹部３２との間で合流する清浄化ガス配管４４を有している。これにより、不活性ガス供給部１２と清浄化ガス供給部１４は、窒素ガスの供給源を共有することで、構造の簡素化が図られ、共有のシャワーヘッド２０の噴出口２０ａから基板Ｗに向けてガスを噴出することで、シャワーヘッド２０の噴出口２０ａから不活性ガスを噴出することで基板Ｗの表面とシャワーヘッド２０との間に形成された、酸素を遮断した酸素遮断ゾーン３０に、シャワーヘッド２０の噴出口２０ａから蟻酸ガスを噴出できるように構成されている。

バブラ４０は、内部に蟻酸液５０を貯蔵する密閉した容器５２と、この容器５２内の蟻酸液５０を、水５４によって、所定の温度に加熱するホットバス５６を有している。容器５２内の蟻酸液５０に浸漬された位置に、多孔板５８が配置され、この多孔板５８にバブラ配管４２が接続されている。清浄化ガス配管４４は、容器５２の上部空間から外部に延びている。これによって、多孔板５８を通して、窒素ガスを蟻酸液５０中にバブリングすることで、容器５２の上部空間に、窒素ガスと蟻酸ガスとの混合ガスが生成され、この混合ガスが清浄化ガス配管４４に導かれるようになっている。

バブラ配管４２には、開閉弁２４ｂと、バブラ配管４２内を流れる窒素ガスの流量を調節する流量調節弁６０が設けられている。清浄化ガス配管４４には、開閉弁２４ｃが設けられ、この開閉弁２４ｃの上流側に、内部に開閉弁２４ｄを設けたバイパス配管６２が分岐して備えられている。これにより、バブラ配管４２の開閉弁２４ｂを開くことで、容器５２の上部空間に、窒素ガスと蟻酸ガスとの混合ガスが生成され、この混合ガスは、清浄化ガス配管４４の開閉弁２４ｃを閉じ、バイパス配管６２の開閉弁２４ｄを開くことで、バイパス配管６２を通してバイパスされる。そして、清浄化ガス配管４４の開閉弁２４ｃを開き、バイパス配管６２の開閉弁２４ｄを閉じることで、清浄化ガス配管４４を通して、シャワーヘッド２０の噴出口２０ａから噴出される。

加熱部１６は、この例では、内部に発熱源を有するホットプレートによって構成され、この加熱部（ホットプレート）１６に基板Ｗを載置することで、基板Ｗを加熱するように構成されている。
なお、発熱源としてはホットプレート式によらず、赤外線式や高温の窒素ガス等を吹付ける熱風式でも良い。

更に、この例では、加熱部１６の上部から上方に延び、加熱部１６上に基板Ｗを載置して、酸素遮断ゾーン３０に蟻酸ガス（と窒素ガスとの混合ガス）を供給している時に、酸素遮断ゾーン３０の周囲を包囲して、酸素遮断ゾーン３０内における蟻酸ガスの流れを規制する略円筒状の気流規制機構７０が配置され、この気流規制機構７０は、排気部７２に連通している。これによって、蟻酸ガスが装置外に流出するのが防止される。

次に、この表面処理装置による基板の表面処理（清浄化処理）について説明する。
先ず、図３に示すように、リフタ１０及びシャワーヘッド２０を共に上昇させておき、表面を上向きにして搬送装置等でリフタ１０の上方まで搬送させた基板Ｗをリフタ１０上に載置してリフタ１０で保持する。この時、加熱部１６を所定温度に昇温させておく。また、バブラ配管４２の開閉弁２４ｂを開き、窒素ガスのバブリングによって、容器５２の上部空間に窒素ガスと蟻酸ガスとの混合ガスを生成させ、清浄化ガス配管４４の開閉弁２４ｃを閉じ、バイパス配管６２の開閉弁２４ｄを開くことで、所定流量の窒素ガスと蟻酸ガスとの混合ガスを、バイパス配管６２を通してバイパスさせておく。また、不活性ガス供給部１２の開閉弁２４ａを閉じておく。

そして、リフタ１０で基板Ｗを保持した後、不活性ガス供給部１２の開閉弁２４ａを開き、シャワーヘッド２０の噴出口２０ａから基板の表面（上面）に向けて窒素ガスを噴出させ、これによって、基板Ｗとシャワーヘッド２０との間に、窒素ガスで遮断されて、実質的に酸素が存在しない酸素遮断ゾーン３０を作る。この状態を作るために、噴出口２０ａの数と配置、シャワーヘッド２０と基板Ｗとの距離、及び噴出させる窒素ガスの流量を適宜に選択する。

シャワーヘッド２０の噴出口２０ａから基板の表面（上面）に向けて窒素ガスを噴出さて、基板Ｗとシャワーヘッド２０との間に酸素遮断ゾーン３０を作ったまま、リフタ１０とシャワーヘッド２０を同時に下降させる。そして、基板Ｗが加熱部１６に接触した時に、シャワーヘッド２０の下降を停止させる。リフタ１０にあっては、更に下降させることで、基板Ｗからリフタ１０を離して、基板Ｗを加熱部１６に載置する。この時の状態を図２に示す。図２に示す状態を所定時間維持することで、基板Ｗとシャワーヘッド２０との間に酸素遮断ゾーン３０を作ったまま、基板Ｗを所定温度に昇温させる。

そして、基板Ｗが所定温度に達した時、清浄化ガス配管４４の開閉弁２４ｃを開き、バイパス配管６２の開閉弁２４ｄを閉じることで、清浄化ガス配管４４を通して、シャワーヘッド２０の噴出口２０ａから蟻酸ガスと窒素ガスの混合ガスを噴出させる。これによって、基板Ｗの表面の蟻酸ガスによる清浄化処理を行う。このように、シャワーヘッド２０の噴出口２０ａから、基板の表面（上面）に向けて窒素ガスを噴出さて、基板Ｗとシャワーヘッド２０との間に酸素遮断ゾーン３０を作ったまま、同じシャワーヘッド２０の噴出口２０ａから、基板の表面（上面）に向けて、蟻酸ガスと窒素ガスの混合ガスを噴出させることで、酸素遮断ゾーン３０に蟻酸ガスを供給し、基板Ｗ上の酸化膜や有機物を除去（清浄化）する。

この酸素遮断ゾーン３０に蟻酸ガス（と窒素ガスとの混合ガス）を供給している時、気流規制機構７０で酸素遮断ゾーン３０の周囲を包囲することで、酸素遮断ゾーン３０内における蟻酸ガスの流れを規制し、気流規制機構７０内の蟻酸ガスを排気部７２から排気することで、蟻酸ガスの装置外への流出を防止する。
そして、一定時間、基板Ｗの表面の蟻酸ガスによる清浄化処理を行った後、清浄化ガス配管４４の開閉弁２４ｃを閉じ、バイパス配管６２の開閉弁２４ｄを開くことで、蟻酸ガスの供給を止めて、基板Ｗの表面の蟻酸ガスによる清浄化処理を終了する。

ここで、基板Ｗの表面は、この清浄化処理を終了した時点では、一般に清浄化処理を行う前より活性を有し、清浄化処理を開始する前の酸素遮断状態を形成する窒素ガスの流量では、基板表面が再酸化される場合がある。そこで、シャワーヘッド２０の噴出口２０ａから基板に向けて噴出させる窒素ガスの流量を、清浄化処理終了後に処理前より多くしたり、シャワーヘッド２０と基板Ｗの距離を縮めたりすることで、酸素遮断性能を高めて、基板の表面の再酸化を防ぐことができる。

そして、このようにして、基板の表面の再酸化を防止する雰囲気のまま、リフタ１０とシャワーヘッド２０を連動させて上昇させ、図３に示すように、リフタ１０で保持したまま、基板Ｗを加熱部１６から離し、これによって、基板Ｗを、例えば５０℃以下まで強制冷却させる。
基板を冷却した後、図示しない搬送手段により、基板Ｗをリフタ１０から受取って、次工程に搬出することで、一連の処理を終える。

図２及び図３に示す表面処理装置、及び表面処理装置を使用した表面処理方法の有効性を実証するため、図４に示す実験装置で実験・評価した。図４に示す実験装置の図２及び図３に示す表面処理装置と異なる点は、固定タイプのＳＵＳ管８０の下端から基板Ｗに向けてガスを噴出するように構成し、また、リフタ１０を備えていない（そのため、加熱部１６には貫通孔１６ａがない）点にある。なお、図４に示す装置において、図２及び図３に示す装置と同一または相当する部分には、同一符号を付して、重複した説明を省略している。

主な実験条件は以下である。
基板種類 表面に銅めっきを有するシリコンウェーハ
除去対象材料 有機物（ベンゾトリアゾール（ＢＴＡ））
基板寸法 １×５ｃｍ
ヒータ ホットプレート式
ガス噴出部 ＳＵＳ管、内径４．３５ｍｍ
蟻酸ガス流量 １８０sccm（standard cc/min）

ここで、純水にＢＴＡ粉末を溶かして、ＢＴＡ濃度が０．０５モル／Ｌの液を作り、その液に基板を３０秒間浸漬させ、基板を純水で１分間洗浄した後、乾燥させることで、基板の表面へのＢＴＡを塗布した。

実験にあたり、初めに加熱部（ヒータ）１６の表面温度と基板Ｗの表面に向けて噴出する窒素ガス流量（Ｎ_２ブロー量）を変えた時における基板温度との関係を調べた。その結果を図５に示す。図５において、横軸はヒータ温度（℃）を、縦軸は基板中心温度（℃）を示す。変数は窒素ガス流量である。図５から、ヒータ温度が一定でも、窒素ガス流量が増すと基板温度は低下し、例えば窒素ガス流量が１０slm（standard liter/min）の時、基板温度を１４０℃にするためには、ヒータ温度を２３０℃に、基板温度を２００℃にするためには、ヒータ温度を３７５℃にすればよいことが判る。

次に、図４に戻って、基板ＷからＳＵＳ管８０までの高さを１０ｍｍに固定し、ＳＵＳ管８０の下端から、流量１０slmで窒素ガスを基板Ｗの表面に向けて噴出させながら、基板Ｗを加熱部（ヒータ）１６で所定の温度まで加熱した後、ＳＵＳ管８０の下端から、蟻酸ガスと窒素ガスの混合ガスを基板Ｗの表面に向けて噴出させた。そして、基板温度、処理時間及び蟻酸ガス流量を変数として、基板上のＢＴＡの除去可否を評価した。

実験は以下の手順で行った。
図４に示す構成の実験装置で、図５のデータを用いて、予定の基板温度に対応する温度に加熱部１６を昇温させた。また、不活性ガス配管２２を経由して、ＳＵＳ管８０から窒素ガスを１０slmで噴出させた。

ホットバス５６を所定温度に設定し、ホットバス５６中の水５４を、例えば６２℃に保ち、容器５２内の蟻酸液５０をほぼ水５４の温度に等しい温度に保ちながら、流量調節弁６０で設定した窒素ガスをバブラ配管４２の開閉弁２４ｂを経由して多孔板５８から蟻酸液５０中に供給し、バブリング法で窒素ガスと蟻酸ガスの混合ガスを発生させた。処理開始前は、混合ガスをバイパス配管６２からバイパスさせて定常状態を作っておいた。

基板Ｗの表面の清浄化処理を以下の手順で行った。
ピンセットで基板Ｗを掴み、ＳＵＳ管８０の直下に基板Ｗを位置させ、基板Ｗに向けてＳＵＳ管８０から窒素ガスを噴出させながら、基板Ｗを加熱部１６の上に置き、ピンセットを離した。この状態で、基板Ｗを２分間加熱して所定温度に昇温させた。基板Ｗに向けてＳＵＳ管８０から窒素ガスを噴出させながら、バイパス配管６２の開閉弁２４ｄを閉じ、清浄化ガス配管４４の開閉弁２４ｃを開いて、蟻酸ガスと窒素ガスの混合ガスを、清浄化ガス配管４４を通して、ＳＵＳ管８０から基板Ｗの表面に向けて噴出させた。実験条件により、処理時間を０．５分から１０分まで変えた。

処理時間経過後、基板表面の酸素遮断性能を高めるため、ＳＵＳ管８０から噴出させる窒素ガスの流量を１０slmから５０slmに増やし、次にピンセットで基板Ｗを掴み、基板Ｗを加熱部１６から５ｍｍほど持ち上げてから、清浄化ガス配管４４の開閉弁２４ｃを閉じて、蟻酸ガスの供給を止め、基板Ｗを概ね５０℃以下まで冷却した。冷却後、ＳＵＳ管８０の直下から基板Ｗを取出し、一連の処理を終了した。
実験結果を表１に示す。

表１において、各条件でのＢＴＡの除去状態は、処理前後の基板表面をエリプソメータで測定して判断した。基板表面状態の指標である、エリプソメータの楕円偏向の位相角Δ（以下、単に位相角Δという）は、基板表面が十分清浄であれば−１０９°以下である。実験に用いた基板における位相角Δは、処理前で−１０６°前後であった。そこで、処理後の位相角Δが−１０９°以下であれば、基板表面のＢＴＡは完全に除去されたと判断して、表１に○印を付した。処理後の位相角Δが−１０９°より大であれば、基板表面のＢＴＡの除去は不完全と判断して、表１に△印を付した。表１中の(○)部は、上記実測の○印データから、実験すれば○印となる事が推定できる条件である。

表１から次の事がわかる。
（１）ＢＴＡは、処理時間が２分以上であれば、基板温度１２０℃以上で除去できる。
（２）ＢＴＡは、基板温度が１４０℃以上であれば、処理時間０．５分以上で除去できる。
ＢＴＡと同様に、銅配線膜上の自然酸化膜についても、実験から、ＢＴＡと場合とほぼ同等の条件で除去できたことを確認している。

また、上記実験で得られた、ＢＴＡあるいは自然酸化の除去範囲は、概ね直径１０ｍｍ程度であった。噴出口の数と配置、噴出口と基板との間の距離、及び噴出口からのガス噴出流量を適宜に選ぶことにより、直径２００ｍｍあるいは３００ｍｍの基板表面全面を酸素遮断ゾーンとして清浄化処理できることは明らかである。

次に、本発明の他の実施の形態の表面処理装置を図６に示す。この図６に示す表面処理装置の図２及び図３に示す表面処理装置と異なる点は、以下の通りである。なお、図６に示す表面処理装置において、図２及び図３に示す表面処理装置と同一または相当する部分には、同一符号を付して、重複した説明を省略する。なお、このことは、以下同様である。

すなわち、この図６に示す表面処理装置では、不活性ガス配管２２の下端に、図２及び図３に示す表面処理装置におけるシャワーヘッド２０の代わりに、基板Ｗの直径以上の長さに亘って線状または帯状に延びるスリット９０ａを有する上下動不能なガス噴出ヘッド９０を使用している。更に、ガス噴出ヘッド９０のスリット９０ａと直交する方向に移動自在で、上面に基板Ｗを保持する基板ホルダ９２が備えられ、不活性ガス配管２２に該配管２２に沿って流れる窒素ガスを加熱し、この加熱した窒素ガスを基板Ｗに向けて噴出させることで基板Ｗを窒素ガスで加熱する加熱部９４が設けられている。

この例によれば、基板Ｗの表面の一部とガス噴出ヘッド９０との間に、ガス噴出ヘッド９０のスリット９０ａから基板Ｗに向けて噴出される窒素ガスで、酸素遮断ゾーン３０を形成し、同時に、基板Ｗの表面を加熱し基板Ｗの表面温度を所定値に保ちながら、酸素遮断ゾーン３０に蟻酸ガスと窒素ガスの混合ガスをガス噴出ヘッド９０のスリット９０ａから基板Ｗに向けて噴出させて、基板Ｗの表面の一部を清浄化処理することができる。そして、基板ホルダ９２を移動させ、清浄化処理を走査させて行うことで、基板表面の全面を清浄化処理することができる。

この例によれば、表面処理装置のより簡素化を図ることができる。また、この例では、表面の清浄化処理を終了した後に、基板Ｗに向けて窒素ガスを噴出させながら、基板を冷却するようにしていないが、基板Ｗの表面が再酸化しても、この再酸化により影響が少ない場合に特に有効である。

上記各実施の形態における表面処理装置を使用して、多層配線構造を有する半導体装置を製造するようにした例を、図７を参照して説明する。前述の図１に示す従来例と同様に、基板の表面に、例えば銅からなる下層配線膜をめっきで形成し、ＣＭＰによって下層配線膜の表面を平坦に研磨して下層配線を形成する。このようにして、下層配線を形成すると、基板の表面に絶縁膜を堆積する前に、下層配線の表面に自然酸化膜が生成されたり、ＣＭＰ工程で配線材料である銅の腐食抑制のために用いられたベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）が基板表面に残ったりする場合がある。この自然酸化膜及びＢＴＡは、共に上層配線と下層配線との間の電気的接続を阻害する要因となる。

また絶縁膜に溝や上層配線膜との接続穴を形成し下層配線膜の一部を露出させた時、下層配線膜の表面に自然酸化膜が生成されていると、上層配線と下層配線との間の電気的接続を阻害する要因となる。

そこで、この例にあっては、図２及び図３、または図６に示す表面処理装置を使用した基板の表面処理、つまり下地配線膜表面をドライクリーニングして、下層配線の表面に生成された自然酸化膜や、基板の表面に残ったベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）を除去する。
そして、基板の表面に絶縁膜を成膜し、絶縁膜中に溝（トレンチ）を形成した後、基板の表面にバリアメタル成膜し、しかる後、バリアメタルの表面に、例えば銅からなる上層配線膜をめっきで形成し、ＣＭＰによって上層配線膜の表面を平坦に研磨して上層配線を形成する。

あるいは絶縁膜に溝を形成し、下地配線膜表面をドライクリーニングして下地配線膜表面の自然酸化膜を除去してから基板の表面にバリアメタル成膜し、バリアメタルの表面に、例えば銅からなる上層配線膜をめっきで形成し、ＣＭＰによって上層配線膜の表面を平坦に研磨して上層配線を形成する。
上記２回のドライクリーニングの内、必要に応じて、１回のみでも有効である。

これにより、プラズマクリーニングによる基板の表面処理を行うことなく、したがって、半導体デバイスに損傷を与えることなく、下層配線の表面に生成された自然酸化膜や、基板の表面に残ったベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）を除去して、上層配線と下層配線の電気的接続を良好にすることができる。

基板表面材質としては、金属あるいは金属化合物として、銅、タンタルとタンタル窒化物、チタンとチタン窒化物、タングステンとタングステン窒化物、ルテニウムなどが有り、その他には絶縁物がある。

図８乃至図１０は、本発明の更に他の実施の形態の表面処理装置を示す。この図８乃至図１０に示す表面処理装置の図２及び図３に示す表面処理装置と異なる点は、以下の通りである。

つまり、この例の表面処理装置には、図２及び図３に示す例におけるリフタ１０の代わりに、基板Ｗの周縁部を支持して基板Ｗを保持するリング状の保持部１００が加熱部１６の上方に備えられている。この保持部１００は、加熱部１６の周囲に位置して上下動自在に配置された昇降軸１０２の上端に連結されて上下動自在に構成されている。また、円板状で、下方に向けて内径が拡がる１つの噴出口１０４ａを中央に有する、位置を固定されたヘッド１０４が備えられている。図８は、保持部１００が上昇端にある状態を示し、ヘッド１０４と保持部１００で保持された基板Ｗとの間隔は、例えば０．６ｍｍである。また、この例では、ヘッド１０４の位置を固定しているため、不活性ガス配管２２に蛇腹部３２は備えられていない。

これにより、保持部１００で保持した基板Ｗの表面（上面）に向けて、ヘッド１０４の噴出口１０４ａから窒素ガス（不活性ガス）を噴出することで、基板Ｗの表面とヘッド１０４との間に、窒素ガスによって酸素を遮断した酸素遮断ゾーン１０６が基板Ｗの全域に亘って形成されるように構成されている。

なお、ヘッド１０４及び保持部１００として、より大径のものを使用することで、ヘッド１０４と保持部１００との間隔を適宜保持したまま、基板Ｗの周辺を含む全面に酸素遮断ゾーン１０６を確実に形成することができる。

また、清浄化ガス配管４４、不活性ガス配管２２の清浄化ガス配管４４との接続部より下流側、及びヘッド１０４には、これらをホットバス５６内の蟻酸液５０の温度より高くする配管ヒータ１０８が設置されている。これにより、バブラ４０で発生した蟻酸ガスが基板Ｗに向かって流れる途中で、その温度が徐々に高くなるようにすることで蟻酸ガスが基板Ｗに達する以前に装置構成部品表面で結露することを防止できる。

加熱部１６は、この例では、内部にランプヒータ１６ｂを有し、この加熱部１６の上方に保持部１００で保持した基板Ｗを配置し、ランプヒータ３１６ａから発する輻射熱で基板Ｗを加熱するように構成されている。発熱源としては、ランプヒータによらず、高温の窒素ガス等を吹付ける熱風式でも良い。

更に、この例では、加熱部１６の上部から上方に延び、保持部１００上に基板Ｗを載置して、酸素遮断ゾーン１０６に蟻酸ガス（と窒素ガスとの混合ガス）を供給している時に、酸素遮断ゾーン１０６の周囲を包囲して、酸素遮断ゾーン１０６内における蟻酸ガスの流れを規制する略円筒状の気流規制機構７０、保持部１００、及び基板Ｗで構成される閉空間を、規制配管１１０を経由して排気部７２に連通している。これによって、酸素遮断ゾーン１０６内に供給された蟻酸ガスが装置外に流出するのが防止される。なお、この例では、気流規制機構７０は、上下動自在に構成され、また、規制配管１１０はその一部に伸縮部１１２があり、保持部１００の上下動を妨げない構造となっている。

保持部１００の上面には、図１０に示すように、基板Ｗを乗せたフォーク１１４の形状に沿った溝１１６が設けられている。これにより、図９に示すように、保持部１００を下降させた状態で、保持部１００とヘッド１０４との間に、基板Ｗを乗せたフォーク１１４を溝１１６に沿って挿入し、保持部１００を上昇させることで、基板Ｗの周縁部を支持して基板Ｗを保持部１００で保持するようになっている。

図８乃至図１０に示す表面処理装置の動作を以下に説明する。
先ず、バブラ配管４２の開閉弁２４ｂを開き、窒素ガスのバブリングによって、容器５２の上部空間に窒素ガスと蟻酸ガスとの混合ガスを生成させ、清浄化ガス配管４４の開閉弁２４ｃを閉じ、バイパス配管６２の開閉弁２４ｄを開くことで、所定流量の窒素ガスと蟻酸ガスとの混合ガスを、バイパス配管６２を通してバイパスさせておく。また、不活性ガス供給部１２の開閉弁２４ａを閉じておく。

次に、図９に示すように、気流規制機構７０が上昇し、保持部１００が下降した状態で、保持部１００に設けられた溝１１６内に、基板Ｗを載せたフォーク１１４を挿入する。なおフォーク１１４は、例えば、下記の図１５に示す、第２搬送ロボット２１２の先端部である。そして、図８に示す高さまで保持部１００を上昇させ、基板Ｗをフォーク１１４から離間させた後、フォーク１１４を溝１１６内から退避させる。続いて気流規制機構７０を図８に示す高さまで下降させる。

次に、不活性ガス供給部１２の開閉弁２４ａを開き、ヘッド１０４の噴出口１０４ａから基板Ｗの表面（上面）に向けて窒素ガスを噴出させ、基板Ｗとヘッド１０４との間に、窒素ガスで満たされて実質的に酸素が存在しない酸素遮断ゾーン１０６を作る。そして、基板Ｗとヘッド１０４との間に酸素遮断ゾーン１０６を作ったまま、加熱部１６のランプヒータ１６ｂを所定電力で点灯し、基板Ｗを所定温度に昇温させる。

基板Ｗが所定温度に達するまで基板Ｗを加熱した後、清浄化ガス配管４４の開閉弁２４ｃを開き、バイパス配管６２の開閉弁２４ｄを閉じることで、清浄化ガス配管４４を通して、ヘッド１０４の噴出口１０４ａから蟻酸ガスと窒素ガスの混合ガスを噴出させる。これによって、基板Ｗの表面の蟻酸ガスによる清浄化処理を行う。この酸素遮断ゾーン１０６に蟻酸ガス（と窒素ガスとの混合ガス）を供給している時、噴出したガスは、規制配管１１０を経由して排気部７２に排気され、これによって、蟻酸ガスの装置外への流出が防止される。

そして、一定時間、基板Ｗの表面の蟻酸ガスによる清浄化処理を行った後、清浄化ガス配管４４の開閉弁２４ｃを閉じ、バイパス配管６２の開閉弁２４ｄを開くことで、蟻酸ガスの供給を止めて、基板Ｗの表面の蟻酸ガスによる清浄化処理を終了する。次いで、加熱装置１６のランプヒータ１６ｂを消灯し、基板の加熱を停止する。

基板Ｗの表面は、この有機酸処理を終了した時点では、一般に有機酸処理を行う前より活性を有し、清浄化処理を開始する前の酸素遮断状態を形成する窒素ガスの流量では、基板Ｗ表面が再酸化される場合がある。そこで、ヘッド１０４の噴出口１０４ａから基板Ｗに向けて噴出させる窒素ガスの流量を、清浄化処理終了後に処理中より多くし酸素遮断性能を高めて、基板Ｗの表面の再酸化を防ぐ。そして、このようにして、基板の表面の再酸化を防止する雰囲気のまま、基板Ｗを保持し、例えば５０℃以下まで強制冷却させる。

図８乃至図１０に示す表面処理装置にあっては、リング状の保持部１００の上面に基板Ｗの周縁部を載置して基板Ｗを保持するようにしている。そして、このように保持部１００の上面に基板Ｗを載置した時、基板Ｗの表面と保持部１００の表面がほぼ面一となって、保持部１００が基板Ｗの外方に延出し、基板Ｗの側方を保持部１００で閉塞するようにしている。

図１１及び図１２は、図８乃至図１０に示す表面処理装置の変形例を示す。つまり、図１１及び図１２に示す表面処理装置は、昇降軸１０２の上端にリング状の保持台１２０を取付け、この保持台１２０の円周方向に沿った所定位置に、内方に延出する複数（図示では３個）の爪１２２を取付け、この爪１２２で基板Ｗの周縁部下面を支持するようにしている。保持台１２０の内径は、基板Ｗの外径より大きく、このため、基板Ｗの外側下方は開放した状態にある。その他の構造は、図８乃至図１０に示す表面処理装置とほぼ同様である。

図８乃至図１０に示す表面処理装置（以下、リング形表面処理装置という）、及び図１１及び図１２に示す表面処理装置（以下、爪形表面処理装置という）、並びにこれらの表面処理装置を使用した表面処理方法の有効性を実証するため、以下の実験を行って評価した。
主な実験条件は以下である。
基板種類 表面に銅めっきを有するシリコン基板
除去対象材料 自然酸化膜（酸化膜厚：約５ｎｍ）
基板寸法 φ２００ｍｍ
不活性ガス種と流量範囲 窒素ガス×０．３〜３０slm（standard
liter/min）
有機酸ガス種と流量範囲 蟻酸ガス×３０〜３００sccm（standard
cc/min)
基板温度範囲 １５０〜２５０℃
ヘッド−基板間間隔 ０．６ｍｍ

以下、実験結果について説明する。
図１３は、爪形表面処理装置において、ヘッド１０４と基板Ｗとの間に供給する窒素ガス流量（Ｎ_２ブロー量）に対する、ランプヒータ１６ｂに供給するヒータ電力（Ｗ）と基板Ｗ内の平均温度（℃）との関係を示す。基板内の温度測定個所は、基板中心からの距離で、−９２，−４５，０，４５，９２ｍｍの位置の計５点である。図１３に示すように、窒素ガス流量０〜１０slmの範囲では、ヒータ電力に対する基板温度は、ほぼ同等であった。

図１４は、図１３における基板平均温度２００℃相当時における基板内温度分布を示す。図１４に示すように、窒素ガス流量０〜１０slmで、基板内温度分布は±４％以下であった。

表２は、爪形表面処理装置において、ヘッド１０４と基板Ｗとの間に窒素ガスを供給しながら基板Ｗを加熱した時の基板酸化防止条件を示す。
窒素ガス供給量が少なく、従って、基板Ｗの表面の酸素濃度が高い場合に、基板を加熱すると、基板表面は酸化が進む。酸化を進めないための窒素ガス供給量及び基板温度の関係を調べたものである。基板の表面状態は、前述と同様に、エリプソメータで測定した。窒素ガスを供給しながら基板を１５分加熱した時に、位相角Δの酸化方向変化が基板内全面で２°以下の場合に、酸化防止条件であると判定した。

表２において、○印は実験値、（○）印はその実験条件の周辺条件から「○」と推定できる場合を示す。表２より、基板温度１５０または１７５℃の時、窒素ガス流量３slm以上で酸化が防止できることがわかる。

表３は、爪形表面処理装置を使用し、蟻酸ガス流量１００sccm、蟻酸ガス供給時間１０分の条件で処理した時の自然酸化膜除去のための基板温度、窒素ガス流量特性を示す。
表４は、リング形表面処理装置を使用し、蟻酸ガス流量１００sccm、蟻酸ガス供給時間１０分の条件で処理した時の自然酸化膜除去のための基板温度、窒素ガス流量特性を示す。

表３及び表４において、エリプソメータの測定値である楕円偏向の位相角Δが−１０９°以下を酸化膜除去完と判定した。実験に用いた基板の初期位相角Δの値は、概ね−１００°の酸化膜厚がおよそ５ｎｍであった。表３及び表４から、爪形表面処理装置及びリング型表面処理装置とも、基板温度１５０または１７５℃、窒素ガス流量１０slm以上で自然酸化膜が除去できることがわかる。

表５は、爪形表面処理装置を使用し、基板温度１７５℃、窒素ガス流量１０slmの条件で処理した時の自然酸化膜除去のための蟻酸ガス流量、処理時間特性を示す。表５より、蟻酸ガス流量１００，３００sccm時に、厚さ約５ｎｍの自然酸化膜を処理時間１分で除去できることが確認できた。

表６は、リング形表面処理装置を使用し、基板温度１７５℃、窒素ガス流量１０slmの条件で処理した時の自然酸化膜除去のための蟻酸ガス流量、処理時間特性を示す。表５及び表６により、リング形表面処理装置にあっては、爪形表面処理装置よりも、酸化膜除去条件が狭いことがわかる。

図１５は、本発明の実施の形態における基板処理装置を示す平面図である。図１５に示すように、基板処理装置は、多数の基板を収納する基板カセット２０１を載置するロード／アンロードステージ２０２を４つ備えている。このロード／アンロードステージ２０２に沿って走行機構２０３が設けられており、この走行機構２０３の上には、２つのハンドを有する第１搬送ロボット２０４が配置されている。

第１搬送ロボット２０４の走行機構２０３を対称軸として、基板カセット２０１と反対側には、２台の洗浄・乾燥機２０５，２０６が配置されている。第１搬送ロボット２０４のハンドは、これらの洗浄・乾燥機２０５，２０６にもアクセス可能となっている。各洗浄・乾燥機２０５，２０６は、基板を高速回転させて乾燥させるスピンドライ機能を有している。また、２台の洗浄・乾燥機２０５，２０６の間には、４つの基板の載置台２０７，２０８，２０９，２１０を備えた基板ステーション２１１が配置されており、第１搬送ロボット２０４のハンドがこの基板ステーション２１１にアクセス可能となっている。

洗浄・乾燥機２０５と３つの載置台２０７，２０９，２１０に到達可能な位置には、２つのハンドを有する第２搬送ロボット２１２が配置されており、洗浄・乾燥機２０６と３つの載置台２０８，２０９，２１０に到達可能な位置には、２つのハンドを有する第３搬送ロボット２１３が配置されている。ここで、載置台２０７は、第１搬送ロボット２０４と第２搬送ロボット２１２との間で基板を受渡すために使用され、載置台２０８は、第１搬送ロボット２０４と第３搬送ロボット２１３との間で基板を受渡すために使用される。また、載置台２０９は、第２搬送ロボット２１２から第３搬送ロボット２１３へ基板を搬送するために使用され、載置台２１０は、第３搬送ロボット２１３から第２搬送ロボット２１２へ基板を搬送するために使用される。なお、載置台２０９は、載置台２１０の上に位置している。

洗浄・乾燥機２０５に隣接して、第２搬送ロボット２１２のハンドがアクセス可能な位置には、半導体ウェーハなどの基板の表面に形成された金属皮膜の自然酸化膜をドライクリーニングにより除去する乾式処理ユニットとしての表面処理装置２１４が配置されている。この表面処理装置２１４として、図２及び図３、図６、図８乃至図１０、または図１１及び図１２に示す表面処理装置が使用されている。洗浄・乾燥機２０６に隣接して、第３搬送ロボット２１３のハンドがアクセス可能な位置には、研磨後の基板を洗浄する洗浄機２１５が配置されている。

基板処理装置は、基板の金属皮膜を平坦化処理する平坦化ユニットとしての２つの化学機械研磨（ＣＭＰ）装置２１６，２１７を備えている。それぞれの化学機械研磨装置２１６，２１７は、それぞれ２つの研磨テーブルと、基板を保持しかつ基板を研磨テーブルに対して押圧しながら研磨するための１つのトップリングとを備えている。すなわち、化学機械研磨装置２１６は、第１の研磨テーブル２１８と、第２の研磨テーブル２１９と、トップリング２２０と、研磨テーブル２１８に研磨液を供給するための研磨液供給ノズル２２１と、研磨テーブル２１８のドレッシングを行うためのドレッサ２２２と、研磨テーブル２１９のドレッシングを行うためのドレッサ２２３とを備えている。また、化学機械研磨装置２１７は、第１の研磨テーブル２２４と、第２の研磨テーブル２２５と、トップリング２２６と、研磨テーブル２２４に研磨液を供給するための研磨液供給ノズル２２７と、研磨テーブル２２４のドレッシングを行うためのドレッサ２２８と、研磨テーブル２２５のドレッシングを行うためのドレッサ２２９とを備えている。

また、化学機械研磨装置２１６には、第２搬送ロボット２１２のハンドがアクセス可能な位置に基板を反転させる反転機２３０が設置されており、この反転機２３０には第２搬送ロボット２１２によって基板が搬送される。同様に、化学機械研磨装置２１７には、第３搬送ロボット２１３のハンドがアクセス可能な位置に基板を反転させる反転機２３１が設置されており、この反転機２３１には第３搬送ロボット２１３によって基板が搬送される。

これらの反転機２３０，２３１とトップリング２２０，２２６の下方には、反転機２３０，２３１とトップリング２２０，２２６との間で基板を搬送するロータリトランスポータ２３２が配置されている。ロータリトランスポータ２３２には、基板を載せるステージが４ヶ所等配に設けられており、複数の基板を同時に搭載できるようになっている。反転機２３２のステージの中心と、反転機２３０または２３１でチャックされた基板の中心の位相が合ったときに、ロータリトランスポータ２３２の下方に設置されたリフタ２３３または２３４が昇降することで、ロータリトランスポータ２３２上に基板が搬送される。

ロータリトランスポータ２３２のステージ上に載せられた基板は、ロータリトランスポータ２３２が回転することで、トップリング２２０または２２６の下方へ搬送される。トップリング２２０または２２６は、予めロータリトランスポータ２３２の位置に揺動させておく。トップリング２２０または２２６の中心がロータリトランスポータ２３２に搭載された基板の中心と位相が合ったとき、それらの下方に配置されたプッシャ２３５または２３６が昇降することで、基板は、ロータリトランスポータ２３２からトップリング２２０または２２６に移送される。

トップリング２２０または２２６に移送された基板は、トップリング２２０または２２６の真空吸着機構により吸着され、基板は、吸着されたまま研磨テーブル２１８または２２４まで搬送される。そして、基板は、研磨テーブル２１８または２２４上に取り付けられた研磨パッドまたは砥石等からなる研磨面で研磨される。上述した第２の研磨テーブル２１９，２２５は、それぞれトップリング２２０，２２６が到達可能な位置に配置されている。これにより、第１の研磨テーブル２１８，２２４で基板を研磨した後に、この基板を第２の研磨テーブル２１９，２２５でも研磨できるようになっている。研磨が終了した基板は、同じルートで反転機２３０，２３１まで戻される。

第３搬送ロボット２１３は、基板を洗浄機２１５に搬送し、洗浄機２１５において基板の洗浄が行われる。洗浄後の基板は、第３搬送ロボット２１３により洗浄機２１５から取り出され、洗浄・乾燥機２０６に導入される。洗浄・乾燥機２０６では、基板のリンスおよび乾燥処理が行われ、乾燥後の基板は、第１搬送ロボット２０４により基板カセット２０１に戻される。

次に、上述した基板処理装置における基板処理（研磨処理）について説明する。
図１６に銅配線形成工程を示す。つまり、下層金属配線膜上の絶縁膜に上層配線膜埋設用の配線溝（トレンチ）と上下配線接続用の接続穴（ビアホール）を形成し、絶縁膜の平坦部、配線溝の下面及び側壁、並びに接続穴の下面及び側面にバリアメタルとシード層を順次形成する。次に、銅めっきを行って、基板の表面に、配線溝及び接続穴を埋めるだけ厚さの銅めっき膜からなる金属皮膜を形成する。めっき後、金属皮膜（銅めっき膜）をアニールする。次に、金属皮膜上の自然酸化膜を除去し、酸化膜除去後、直ちに化学機械研磨処理して金属皮膜を所定量化学機械研磨する。これによって、銅めっき膜からなる配線を生成する。

上述した基板処理装置は、金属皮膜上の自然酸化膜を除去し、酸化膜除去後、直ちに化学機械研磨処理して金属皮膜を所定量化学機械研磨するのに使用される。

図１５に戻って、研磨される基板は、金属皮膜が形成された面を上向きにして基板カセット２０１内に収容され、多数の基板Ｗを収容した基板カセット２０１がロード／アンロードステージ２０２に載置される。第１搬送ロボット２０４は、この基板カセット２０１から１枚の基板を取り出し、基板を載置台２０７に搬送する。載置台２０７に載置された基板を、第２搬送ロボット２１２により表面処理装置２１４に搬送する。そして、この表面処理装置２１４で、前述のようにして、金属皮膜上の自然酸化膜を大気圧雰囲気下における乾式処理によって除去する。

酸化膜除去処理を終えた基板は、第２搬送ロボット２１２により表面処理装置２１４から取り出され、反転機２３０に搬送される。反転機２３０では基板が反転され、金属皮膜形成面が下向きになった状態でロータリトランスポータ２３２に受渡される。基板を受け取ったロータリトランスポータ２３２は９０度回転し、基板をプッシャ２３５に搬送する。プッシャ２３５上の基板は、化学機械研磨装置２１６のトップリング２２０に吸着され、研磨テーブル２１８上に移動され、ここで研磨される。上述したように、この第１の研磨テーブル２１８での研磨の後、第２の研磨テーブル２２５で研磨してもよい。

研磨後の基板は、プッシャ２３５からロータリトランスポータ２３２に受渡される。基板を受け取ったロータリトランスポータ２３２は１８０度回転し、基板を反転機２３１に搬送する。反転機２３１では基板が反転され、金属皮膜形成面が上向きになった状態で基板が第３搬送ロボット２１３に受け渡される。第３搬送ロボット２１３は、この基板を洗浄機２１５に搬送し、洗浄機２１５において基板の洗浄が行われる。洗浄後の基板は、第３搬送ロボット２１３により洗浄機２１５から取り出され、洗浄・乾燥機２０６に導入される。洗浄・乾燥機２０６では、基板のリンスおよび乾燥処理が行われ、乾燥後の基板は、第１搬送ロボット２０４により基板カセット２０１に戻される。

図１７は、本発明の他の実施の形態の基板処理装置を示す。この基板処理装置は、前述の図２及び図３、図６、図８乃至図１０、または図１１及び図１２に示す表面処理装置からなる表面処理装置２１４を３式備えた表面処理部２５０を有しており、前述の化学機械研磨装置を備えた、図示しない化学機械研磨部は、表面処理部２５０と別体で構成されて互いに離間して配置されている。この表面処理部２５０は、３式の表面処理装置２１４の他に、基板カセット２０１を載置するロード／アンロードステージ２０２を備え、これらの中央に搬送ロボット２０４が配置されている。

この例の場合、表面処理装置２１４による酸化膜除去処理と化学機械研磨装置による平坦化処理とを別装置で行うことができ、このため、酸化膜除去処理と平坦化処理の自由度を高く運用できる。なお、化学機械研磨装置による平坦化処理後に表面処理装置による酸化膜除去処理または有機物除去等の清浄化処理を行ってもよい。

図１８乃至図２０は、基板表面に設けた接合部同士を互いに接合する接合機能を備えた、本発明の更に他の実施の形態における表面処理装置を示す。この表面処理装置は、大気雰囲気中で２枚の基板表面に設けた接合部表面を蟻酸ガス（清浄化ガス）で清浄化し、しかる後、直ちに接合部同士を互いに圧接して接合するのに使用される。

この表面処理装置は、下テーブル３００を有しており、この下テーブル３００に、例えばシリンダからなる押圧機構３０２が該下テーブル３００を貫通して上向きで取り付けられ、この押圧機構３０２の駆動軸（シリンダロッド）の上端に基板ステージ３０４が設置されている。この基板ステージ３０４は、接合部３０８ａを有する表面を上向きにして基板（以下、下側基板Ｗ１という）を吸着保持する機能と、吸着保持した下側基板Ｗ１を加熱する加熱機構及び室温近くまで冷却する冷却機構を有している。

下テーブル３００の上方に位置して、上テーブル３１０が下テーブル３００と平行に配置され、この上テーブル３１０の下面に、スライド機構３１２を介してスライド自在に、位置微調機構３１４及び基板ステージ３１６が取り付けられている。この基板ステージ３１６は、前記基板ステージ３０４とほぼ同様に、接合部３０８ｂを有する表面を下向きにして基板（以下、上側基板Ｗ２という）を吸着保持する機能と、吸着保持した上側基板Ｗ２を加熱する加熱機構及び室温近くまで冷却する冷却機構を有しており、スライド機構３１２を介して、基板受取り位置と基板ステージ３０４の直上方位置との間をスライドするようになっている。位置微調機構３１４は、基板ステージ３１６に吸着保持された上側基板Ｗ２の位置を、Ｘ，Ｙ，θ方向に微調整する機能を有している。
なお、位置微調機構３１４は、下側の基板ステージ３１６側に設けても同じ効果を有する。

下テーブル３００の下方に位置して、下テーブル３００に設けた貫通孔を通して、基板ステージ３１６に吸着保持された上側基板Ｗ２の接合部３０８ｂの位置を検出する機能をもつ位置検出部３１８が配置されている。同様に、上テーブル３１０の上方に位置して、上テーブル３１０に設けた貫通孔を通して、基板ステージ３０４に吸着された下側基板Ｗ１の接合部３０８ａの位置を検出する機能をもつ位置検出部３２０が配置されている。そして、２つの位置検出部３１８，３２０からの信号は、それぞれ位置演算部３２２に送られ、この位置演算部３２２の演算結果は、位置微調量演算部３２４に送られる。位置微調量演算部３２４では２枚の基板Ｗ１，Ｗ２の接合部３０８ａ，３０８ｂを接合する際に正確に位置合わせできるように、必要な微調量信号を、微調量出力部３２６を経由して位置微調機構３１４に送り、位置微調機構３１４は、基板ステージ３１６で吸着保持された基板Ｗ２の位置を補正する。

基板ステージ３０４の側方には、ガス噴出案内３３０が配置され、このガス噴出案内３３０は、前記図８に示す例とほぼ同様な構成の不活性ガス配管２２の先端に接続されている。この不活性ガス配管２２には、清浄化ガス配管４４が合流しており、これによって、前記図８に示す例とほぼ同様な構成の不活性ガス供給部１２から供給される窒素ガス（不活性ガス）、及び前記図８に示す例とほぼ同様な構成の清浄化ガス供給部１４から供給される蟻酸ガス（清浄化ガス）（と窒素ガスの混合ガス）が、不活性ガス配管２２を通して、ガス噴出案内３３０から側方に向けて噴出されるようになっている。

ガス噴出案内３３０は、図２０に示すように、基板ステージ３０４で吸着保持した基板Ｗ１の周囲の約半分を囲繞する円弧状の本体３３２を有している。そして、この本体３３２の内部に、不活性ガス配管２２に連通し円弧状に延びる案内溝３３４と、この案内溝３３４の長さ方向に沿った所定間隔で、案内溝３３４に連通して本体３３２の内周面側に開口する複数の噴出口３３６が設けられている。これによって、基板ステージ３０４で吸着保持した下側基板Ｗ１、更には基板ステージ３１６で吸着保持した上側基板Ｗ２に向けて、処理ガスが噴出口３３６より均一に噴出されるようになっている。

なお、ガス噴出案内３３２の構造は、上記に限ることなく、任意の形状のものを使用してもよいことは勿論である。
下側基板Ｗ１に設けられる接合部３０８ａ、及び上側基板Ｗ２に設けられる接合部３０８ｂの表面材質は、典型的には銅である。

以上の構造の接合機能を備えた表面処理装置は次のように動作する。
図１８に示すように、図示しない搬送手段により搬入された下側基板Ｗ１を、その接合部３０８ａを有する表面を上向きにして基板ステージ３０４で吸着保持する。同様に、図示しない搬送手段により搬入された下側基板Ｗ２を、その接合部３０８ｂを有する表面を下向きにして基板ステージ３１６で吸着保持する。次に、位置検出部３１８で上側基板Ｗ２の接合部３０８ｂの位置を、位置検出部３２０で下側基板Ｗ１の接合部３０８ａの位置をそれぞれ測定し、位置演算部３２２で位置を演算した後、位置微調量演算部３２４で位置補正量を演算する。

次に、図１９に示すように、スライド機構３１２を用いて、上側の基板ステージ３１６を、該基板ステージ３１６で吸着保持した上側基板Ｗ２が下側の基板ステージ３０４で吸着保持した下側基板Ｗ１と対面ように移動させる。この時、基板Ｗ１，Ｗ２の間隔が、清浄化処理に適した間隔、例えば２ｍｍ程度になるように設定しておく。この状態で、位置微調量演算部３２４で求めた位置補正量信号を微調量出力部３２６に送り、この情報を元に、位置微調機構３１４を動作させて、基板ステージ３１６で吸着保持した上側基板Ｗ２の位置を補正する。

次に、不活性ガス配管２２からガス噴出案内３３０を経由して、基板Ｗ１，Ｗ２の間に窒素ガス（不活性ガス）を供給し、基板Ｗ１，Ｗ２間に存在する酸素濃度を酸化膜除去に支障ない低濃度に保つ。そして、基板ステージ３０４，３１６の加熱機能を動作させ、窒素ガス（不活性ガス）を供給している状態で、基板Ｗ１，Ｗ２の温度を、１５０〜２５０℃の間の適宜の温度に昇温させる。基板Ｗ１，Ｗ２の温度が所定の温度に達した時に、清浄化ガス供給部１４を機能させ、基板Ｗ１，Ｗ２の間に蟻酸ガス（清浄化ガス）（と窒素ガスの混合ガス）を供給する。蟻酸ガス（と窒素ガスの混合ガス）を所定時間供給することにより、基板Ｗ１，Ｗ２のそれぞれの接合部３０８ａ，３０８ｂの表面の酸化膜を除去する。

次に、窒素ガス（不活性ガス）の供給を維持したまま、蟻酸ガス（と窒素ガスの混合ガス）の供給を止め、基板ステージ３０４，３１６の加熱機能も停止させる。次に、押圧機構３０２を動作させて、下側の基板ステージ３０４を上昇させ、下側基板Ｗ１の接合部３０８ａと、上側基板Ｗ２の接合部３０８ｂを圧接して、接合部３０８ａ，３０８ｂ同士を接合する。押圧機構３０２による接合部３０８ａ，３０８ｂへの押圧力は、接合部３０８ａ，３０８ｂの数や接合面積に見合った値を、予め実験から求めて選択する。所定時間押圧した後、基板ステージ３０４，３１６の冷却機能を動作させ、基板Ｗ１，Ｗ２を冷却する。

基板Ｗ１，Ｗ２を冷却した後、上側の基板ステージ３１６の吸着機能を停止させてから、押圧機構３０２により下側の基板ステージ３０４を下降させる。すると、接合された基板Ｗ１，Ｗ２は、下側の基板ステージ３０４上に載置される。

そして、スライド機構３１２により、上側の基板ステージ３１６を、図１８に示す基板受取り位置に移動させた後、基板ステージ３０４の吸着機能を停止させ、図示しない搬送機構により、下側の基板ステージ３０４から接合された基板Ｗ１，Ｗ２を搬出して、一連の接合作業を終える。

上記したように、この接合機能を有する基板処理装置によれば、真空排気手段を必要とすることなく、またロウ材等の補助材料を用いることなく、比較的簡略な装置で、大気雰囲気中での接合部の接合面のクリーニングと接合部同士の接合を行うことができる。

従来例における半導体装置の製造例を工程順に示すフロー図である。 本発明の実施の形態における表面処理装置の清浄化処理中の状態を示す概要図である。 本発明の実施の形態における表面処理装置の清浄化処理の前（及び後）の状態を示す概要図である。 図２及び図３に示す表面処理装置及び表面処理装置を使用した表面処理方法の有効性を実証するための実験装置を示す概要図である。 ヒータ温度、ガス流量及び基板温度の関係を示すグラフである。 本発明の他の実施の形態における表面処理装置の清浄化処理中の状態を示す概要図である。 本発明の基板処理方法を適用した半導体装置の製造例を工程順次示すフロー図である。 本発明の更に他の実施の形態における表面処理装置の清浄化処理の前（及び後）の状態を示す概要図である。 図８の要部拡大図である。 図９のＡ−Ａ線矢視図である。 図８に示す表面処理装置の変形例を示す図９相当図である。 図８に示す表面処理装置の変形例における保持台及び爪を示す平面図である。 図１１及び図１２に示す表面処理装置において、ヘッドと基板との間に供給する窒素ガス流量（Ｎ_２ブロー量）に対する、ランプヒータに供給するヒータ電力（Ｗ）と基板内の平均温度（℃）との関係を示すグラフである。 、図１３における基板平均温度２００℃相当時における基板内温度分布を示すグラフである。 本発明の実施の形態の基板処理装置の全体平面図である。 銅配線形成例を工程順に示すフロー図である。 本発明の他の実施の形態の基板処理装置の表面処理部の平面図である。 本発明の更に他の実施の形態の接合機構を有する表面処理装置の基板保持時の概要を示す正面図である。 本発明の更に他の実施の形態の接合機構を有する表面処理装置の清浄化処理時の概要を示す正面図である。 本発明の更に他の実施の形態の接合機構を有する表面処理装置のガス噴出案内を示す平断面図である。

符号の説明

１０ リフタ
１２ 不活性ガス供給部
１４ 清浄化ガス供給部
１６，９４ 加熱部
２０ シャワーヘッド
２０ａ 噴出口
２２ 不活性ガス配管
２４ａ〜２４ｄ 開閉弁
２６，６０ 流量調節弁
２８ 減圧弁
３０，１０６ 酸素遮断ゾーン
４０ バブラ
４２ バブラ配管
４４ 清浄化ガス配管
５０ 蟻酸液
５２ 容器
５６ ホットバス
５８ 多孔板
６２ バイパス配管
７０ 気流規制機構
７２ 排気部
８０ ＳＵＳ管
９０ ガス噴出ヘッド
９０ａ スリット
９２ 基板ホルダ
１００ 保持部
１０４ ヘッド
１０４ａ 噴出口
１０８ 配管ヒータ
１２０ 保持台
１２２ 爪
２０４，２１２，２１３ 搬送ロボット
２１４ 表面処理装置
２１６，２１７ 化学機械研磨装置
２１８，２１９，２２４，２２５ 研磨テーブル
２２０，２２６ トップリング
２３２ ロータリトランスポータ
２５０ 表面処理部
３００ 下テーブル
３０２ 押圧機構（エアシリンダ）
３０４，３１６ 基板ステージ
３０８ａ，３０８ｂ 接合部
３１０ 上テーブル
３１２ スライド機構
３１４ 位置微調機構
３１８，３２０ 位置検出部
３２２ 位置演算部
３２４ 位置微調量演算部
３２６ 微調量出力部
３３０ ガス噴出案内
３３２ 本体
３３４ 案内溝
３３６ 噴出口
Ｗ，Ｗ１，Ｗ２ 基板

Claims (16)

1. 基板表面の全面または一部に不活性ガスを供給して酸素遮断ゾーンを形成する不活性ガス供給部と、
   基板表面を所定温度に維持する加熱部と、
   前記酸素遮断ゾーンに清浄化ガスを供給して基板表面を清浄化する清浄化ガス供給部を有することを特徴とする基板の表面処理装置。
2. 表面を清浄化した後の基板を冷却する冷却部を有することを特徴とする請求項１記載の基板の表面処理装置。
3. 前記清浄化ガスは、カルボン酸ガスまたは還元性ガスであることを特徴とする請求項１または２記載の基板の表面処理装置。
4. 前記酸素遮断ゾーンに供給される清浄化ガスの流れを規制する気流規制機構と該気流規制機構内部を排気する排気部を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の基板の表面処理装置。
5. 基板表面の全面または一部に不活性ガスを供給して酸素遮断ゾーンを形成しながら、基板表面を所定温度に維持し、
   前記酸素遮断ゾーンに清浄化ガスを供給して基板表面を清浄化することを特徴とする基板の表面処理方法。
6. 表面を清浄化した基板を冷却することを特徴とする請求項５記載の基板の表面処理方法。
7. 基板表面に不活性ガスを供給しながら、表面を清浄化した基板を冷却することを特徴とする請求項６記載の基板の表面処理方法。
8. 前記清浄化ガスは、カルボン酸ガスまたは還元性ガスであることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の基板の表面処理方法。
9. 前記基板表面の清浄化を、略大気圧下で行うことを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の基板の表面処理方法。
10. 前記基板表面の清浄化を、基板を１２０℃以上の温度に維持して行うことを特徴とする請求項５乃至９のいずれかに記載の基板の表面処理方法。
11. 前記基板表面の清浄化を、０．５分以上に亘って行うことを特徴とする請求項５乃至１０のいずれかに記載の基板の表面処理方法。
12. 請求項１乃至４のいずれかに記載の基板の表面処理装置と、
    基板表面を化学機械研磨する化学機械研磨装置と、
    前記表面処理装置と前記化学機械研磨装置との間で基板を搬送する搬送機構を有することを特徴とする基板処理装置。
13. 前記表面処理装置及び前記化学機械研磨装置は、同一の装置フレーム内に配置されていることを特徴とする請求項１２項記載の基板処理装置。
14. 前記表面処理装置と前記化学機械研磨装置は、別体で構成されて互いに離間して配置されていることを特徴とする請求項１２項記載の基板処理装置。
15. 金属皮膜を有する基板表面に不活性ガスを吹付けながら該基板表面を所定温度に維持し、
    基板表面に不活性ガスに加えて有機酸ガスを供給することにより前記基板表面に形成された変質層を除去し、しかる後、
    前記金属皮膜を化学機械研磨することを特徴とする基板処理方法。
16. 前記変質層は、酸化膜であることを特徴とする請求項１５記載の基板処理方法。

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