JP2012109527A - 基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

基板処理装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】基板温度の上昇を抑えサーマルバジェットを抑制しつつ、基板を均一に加熱処理することができる基板処理装置を提供する。
【解決手段】基板を処理する処理室と、前記処理室内に設けられ基板を支持する基板支持部と、前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部で発生させたマイクロ波を前記処理室内に供給する導波口であって、該導波口の中心位置が、前記基板支持部で支持された基板の中心位置から偏心しており、該導波口が前記基板支持部で支持された基板の表面に対向している導波口と、前記導波口に対する前記基板支持部の水平方向における相対的な位置を変動させる制御部と、から基板処理装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上にＩＣ（Integrated Circuit）等の半導体装置を製造する基板処理技術に係り、特に、マイクロ波を用いて、半導体ウェハ（以下、ウェハという。）等の基板を処理し、半導体装置を製造する半導体製造装置や、基板を処理する基板処理装置、あるいは、半導体装置の製造方法に関する。
半導体製造工程の１つに基板（シリコンウェハやガラスなどをベースとする微細な電気回路のパターンが形成された被処理基板）の表面に所定の成膜処理を行うＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）工程がある。これは、気密な反応室に基板を装填し、室内に設けた加熱手段により基板を加熱し、成膜ガスを基板上へ導入しながら化学反応を起こし、基板上に設けた微細な電気回路のパターン上へ薄膜を均一に形成するものである。このようなＣＶＤ工程により、例えば、成膜原料に有機化学材料を使って、誘電率の高い絶縁膜であるＨｉｇｈ−ｋ膜として、ＨｆＯ膜等を形成することができる。
こうして形成されたＨｆＯ膜は、有機材料に起因するＣＨ、ＯＨなどの不純物が数％と多量に含まれているため、そのままでは、電気的絶縁性が不十分である。このような薄膜の電気的絶縁性、およびその安定性を確保するため、ＨｆＯ膜をＯ２やＮ２雰囲気中で６５０℃〜８００℃前後の高速アニール処理を施すことにより、ＣやＨ等の不純物を離脱させて緻密化し安定した絶縁体薄膜に改質しようとする試みが行われている。この緻密化は、結晶化まではさせないが、アモルファス状態の平均原子間距離を縮めるために行なわれる。このような高速アニール処理では、ＨｆＯ膜を改質処理するために、基板全体を所定の温度に加熱することになる。
一方、最近の半導体デバイスにおいては、微細化に伴い浅接合化が進んでおり、サーマルバジェット（熱履歴）を小さくすることが求められている。そのため、上述したＨｉｇｈ−ｋ膜の形成工程で用いられるアニール処理においても、サーマルバジェットを小さくするため、低温で不純物を離脱させて緻密化することが求められている。低温でアニール処理を行う理由は、次のとおりである。デバイスを製造する工程において、後の工程で、前の工程で処理された温度より高い温度で処理すると、既に前工程で構築されていたデバイスが崩れたり、膜の特性が変化することがある。そのため前の工程で処理された温度を超える温度で処理することはできない。よって、デバイス性能向上のための膜質改善処理を低温で行える技術が望まれている。
下記の特許文献には、成膜工程では基板上にハフニウムを含む薄膜を形成し、改質工程ではアルゴンラジカルを基板上に供給して、成膜工程において形成した膜中の不純物元素を除去する技術が開示されている。
特開２００４−２９６８２０号公報
本発明の目的は、従来よりも基板温度の上昇を抑えサーマルバジェットを抑制しつつ、基板を均一に加熱処理することができる基板処理装置を提供することにある。
本発明では、基板を回転させつつ、基板中心から偏心した位置にマイクロ波を照射して、基板を均一に加熱するものである。本発明に係る基板処理装置の代表的な構成は、次のとおりである。
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に設けられ基板を支持する基板支持部と、
前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波発生部で発生させたマイクロ波を前記処理室内に供給する導波口であって、該導波口の中心位置が、前記基板支持部で支持された基板の中心位置から偏心しており、該導波口が前記基板支持部で支持された基板の表面の一部に対向している導波口と、
前記導波口に対する前記基板支持部の水平方向における相対的な位置を変動させる制御部と、
を備える基板処理装置。
また、本発明に係る半導体装置の製造方法の代表的な構成は、次のとおりである。
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に設けられ基板を支持する基板支持部と、
前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波発生部で発生させたマイクロ波を前記処理室内に供給する導波口であって、該導波口の中心位置が、前記基板支持部で支持された基板の中心位置から偏心しており、該導波口が前記基板支持部で支持された基板の表面の一部に対向している導波口と、
前記導波口に対して前記基板支持部を相対的に水平回転させる制御部と、
を備える基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
基板を処理室内に搬入する搬入工程と、
前記処理室内に設けられた基板支持部で基板を支持する支持工程と、
前記導波口に対して前記基板支持部で支持した基板を相対的に水平回転させる回転工程と、
前記基板の回転開始後に前記マイクロ波を前記基板表面に照射する照射工程と、
前記処理室内から基板を搬出する搬出工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
上記のように基板処理装置や半導体装置の製造方法を構成すると、マイクロ波照射により基板加熱することで、従来よりも基板温度の上昇を抑えサーマルバジェットを抑制し、更に、マイクロ波導波口を基板の中心位置から偏心させる位置とし基板を回転させることで、より均一な基板加熱が可能となる。
本発明の実施形態に係る基板処理装置の垂直断面図である。 マイクロ波パワーと基板温度の相関の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る基板支持台の垂直断面概要図である。 本発明の実施形態に係る基板支持台と基板支持台支持機構を、側面から見た断面図である。 図４の部分拡大図である。
まず、本発明の実施形態に係る基板処理装置の概略構成について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る基板処理装置の垂直断面図である。基板処理装置１００は、処理室１０と搬送室（不図示）とマイクロ波供給部とを備える。処理室１０は、半導体基板としてのウェハ１１を処理する。マイクロ波供給部は、マイクロ波発生部２０と導波路２１と導波口２２とを備える。
マイクロ波発生部２０は、例えば、固定周波数マイクロ波又は可変周波数マイクロ波を発生する。マイクロ波発生部２０としては、例えばマイクロトロン等が用いられる。マイクロ波発生部２０で発生したマイクロ波は、導波路２１を介して、処理室１０に連通する導波口２２から処理室１０内に導入される。
処理室１０を形成する処理容器１８は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やステンレス（ＳＵＳ）など金属材料により構成されており、処理室１０と外部とをマイクロ波的に遮蔽する構造となっている。
処理室１０内には、ウェハ１１を支持する基板支持ピン１３が設けられている。基板支持ピン１３は、支持したウェハ１１の中心と処理室１０の中心とが垂直方向で略一致するように設けられている。基板支持ピン１３は、例えば石英又はテフロン（登録商標）等からなる複数（本実施形態においては３本）で構成され、その上端でウェハ１１を支持する。
基板支持ピン１３の下部であってウェハ１１の下方には、導電性の基板支持台１２が設けられている。基板支持台１２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）などの導体である金属材料により構成されている。基板支持台１２は、上面から見た形がウェハ１１の外径よりも大きい円形で、円盤状又は円柱状に形成されている。このように、基板支持台１２は、基板支持ピン１３で支持されたウェハ１１の裏面側に設けられ、該ウェハ１１の裏面と平行で、ウェハ１１の裏面と対向する対向面を有するものである。
基板支持ピン１３と基板支持台１２から基板支持部が構成される。
基板支持台１２は、ステンレス（ＳＵＳ）等の金属製の回転軸３１で支えられ、回転軸３１は、回転駆動部３２により、水平方向に回転する。したがって、回転駆動部３２により、回転軸３１、基板支持台１２、ウェハ１１を、水平方向に回転することができる。回転駆動部３２は、制御部８０と電気的に接続されており、制御部８０により制御される。
処理容器１８の上部であって処理室１０の上壁には、例えば窒素（Ｎ２）等のガスを導入するガス供給管５２が設けられている。ガス供給管５２には、上流から順に、ガス供給源５５、ガス流量を調整する流量制御装置５４、ガス流路を開閉するバルブ５３が設けられており、このバルブ５３を開閉することで、処理室１０内にガス供給管５２からガスが導入、又は導入停止される。ガス供給管５２から導入される導入ガスは、ウェハ１１を冷却したり、パージガスとして処理室１０内のガスを押し出したりするのに用いられる。
ガス供給源５５とガス供給管５２と流量制御装置５４とバルブ５３から、ガス供給部が構成される。流量制御装置５４とバルブ５３は、制御部８０と電気的に接続されており、制御部８０により制御される。
図１に示すように、例えば直方体である処理容器１８の下部であって処理室１０の側壁には、処理室１０内のガスを排気するガス排出管６２が設けられている。ガス排出管６２には、上流から順に、圧力調整バルブ６３と、排気装置としての真空ポンプ６４が設けられており、この圧力調整バルブ６３の開度を調整することで、処理室１０内の圧力が所定の値に調整される。
ガス排出管６２と圧力調整バルブ６３と真空ポンプ６４から、ガス排出部が構成される。圧力調整バルブ６３と真空ポンプ６４は、制御部８０と電気的に接続されており、制御部８０により圧力調整制御される。
図１に示すように、処理容器１８の一側面には、処理室１０の内外にウェハ１１を搬送するためのウェハ搬送口７１が設けられている。ウェハ搬送口７１には、ゲートバルブ７２が設けられており、ゲートバルブ駆動部７３によりゲートバルブ７２を開けることにより、処理室１０内と搬送室内とが連通するように構成されている。
搬送室内には、ウェハ１１を搬送する搬送ロボット（不図示）が設けられている。搬送ロボットには、ウェハ１１を搬送する際にウェハ１１を支持する搬送アームが備えられている。ゲートバルブ７２を開くことによって、搬送ロボットにより処理室１０内と搬送室内との間で、ウェハ１１を搬送することが可能なように構成されている。
基板処理装置１００は、この基板処理装置１００の各構成部分の動作を制御する制御部８０を備え、制御部８０は、マイクロ波発生部２０、ゲートバルブ駆動部７３、搬送ロボット、流量制御装置５４、バルブ５３、圧力調整バルブ６３、回転駆動部３２等の各構成部の動作を制御する。
次に、本実施形態に係る基板処理装置の詳細構成について説明する。
処理室１０内に導入されたマイクロ波は、処理室１０壁面に対して反射を繰り返す。マイクロ波は処理室１０内でいろいろな方向へ反射し、処理室１０内はマイクロ波で満たされる。処理室１０内のウェハ１１に当たったマイクロ波はウェハ１１に吸収され、ウェハ１１はマイクロ波により誘電加熱される。
導波口２２から発射されたマイクロ波は、処理室１０の壁面に当たる毎にエネルギが減衰する。
ウェハ１１を処理する場合、高いエネルギのマイクロ波をウェハ１１に当てることで、急速加熱することができる。我々の研究では、反射波が支配的な状態でウェハを処理した場合と、ウェハに直接マイクロ波を照射した場合とでは、後者の方が基板の改質効果が高いという結果が出ている。
しかし、ウェハ１１に直接マイクロ波を照射する場合、ウェハ１１の面積に比べ、導波口２２の大きさは小さく、またマイクロ波は導波口２２から発射された後あまり広がらないため、ウェハ１１の表面に照射されるマイクロ波のエネルギを均一にすることは容易でない。
また、ウェハ１１にマイクロ波を直接照射するといっても、その全てのエネルギがウェハ１１に吸収されるわけではなく、一部がウェハ表面で反射したり、一部がウェハを透過したりする。これが反射波となり処理室１０内に定在波が発生する。処理室１０内で定在波が発生すると、ウェハ面内においてよく加熱される部分と、あまり加熱されない部分が生じる。これがウェハ１１の加熱ムラとなり、膜質のウェハ面内均一性を悪くする一因となる。
そこで、本実施形態においては、導波口２２を処理室１０の上壁に設け、導波口２２と基板支持ピン１３で支持されたウェハ１１の表面との間の距離を、供給されるマイクロ波の１波長よりも短い距離としている。本例では、使用するマイクロ波の周波数を５．８ＧＨｚとし、そのマイクロ波の波長５１．７ｍｍよりも短い距離としている。導波口２２から１波長よりも短い距離の範囲では、導波口２２から発射された直接波が支配的であると考えられる。ここで、支配的とは、直接波の密度が高い状態を言う。上記のようにすると、ウェハ１１に照射されるマイクロ波は、導波口２２から直接発射された直接波が支配的となり、処理室１０内の定在波の影響を相対的に小さくすることができ、導波口２２の近辺のウェハ１１を急速加熱できる。更には、導波口２２に対向する領域以外のウェハ１１の領域については、その領域に熱履歴が蓄積されないようにすることができる。
さらに、本実施形態においては、導波口２２と基板支持ピン１３で支持されたウェハ１１の表面との間の距離を、供給されるマイクロ波の１／４波長（λ／４）の奇数倍の距離としている。具体的には、使用するマイクロ波の周波数を５．８ＧＨｚとし、そのマイクロ波の波長５１．７ｍｍの１／４の距離である１２．９ｍｍとしている。このような構成とすることで、導波口２２から照射されるマイクロ波のピーク位置（波形の腹の位置）にウェハ１１を位置させることができるので、ウェハ１１の加熱効率が良い。
しかし、このように、「導波口２２と基板支持ピン１３で支持されたウェハ１１の表面との間の距離を、供給されるマイクロ波の１波長よりも短い距離とする」、あるいは、「供給されるマイクロ波の１／４波長の奇数倍の距離とする」だけでは、導波口２２の付近のウェハ１１の一部だけが加熱されることになり、ウェハ面内均一性は悪くなる。
そこで、本実施形態においては、導波口２２の中心位置は、基板支持ピン１３で支持されたウェハ１１の中心位置から偏心して固定され、導波口２２が基板支持ピン１３で支持されたウェハ１１の表面の一部に対向している。本例では、ウェハ１１の直径は３００ｍｍ、導波口２２の中心位置とウェハ１１の中心位置までの距離を９０ｍｍとしている。このように、導波口２２をウェハ１１の中心位置から偏心させ、さらに回転駆動部３２により、基板支持台１２の回転軸３１を中心にして、水平方向にウェハ１１を回転させることで、ウェハ面を導波口２２が走査するようにする。
言い換えると、回転駆動部３２により、導波口２２に対する基板支持部の水平方向における相対的な位置を変動させる。つまり、基板支持ピン１３で支持されたウェハ１１の表面の一部に対して導波口２２が間欠的に対向するように、基板支持ピン１３で支持されたウェハ１１に対する導波口２２の水平方向における相対的な位置を変動させる。
このように、導波口２２をウェハ１１の中心位置から偏心させて回転させることにより、ウェハ１１をより均一に加熱することができ、さらに、ウェハ１１内の目的とする領域を集中的に急速加熱することができ、それ以外の領域は、熱履歴を少なくすることができる。その理由は次のとおりである。ウェハ１１のなかで、マイクロ波を供給する導波口２２の直下の領域が最もマイクロ波エネルギーが高いのでよく加熱される。それ以外の領域は、マイクロ波エネルギーが比較的弱く加熱されにくい。従って回転しているウェハ１１のあるポイントに注目すると、導波口２２の直下にあるときだけ急激に加熱され、そこから外れたら加熱されにくくなる。更には、導波口の直下以外の部分では、後述するように基板支持台によって冷却される。即ち、冷却効率が加熱効率より高い状態となる。結果的にそのポイントの熱履歴は少なくなる。
ウェハ１１の温度は、マイクロ波のパワーが小さければ温度が低く、パワーが大きければ温度が高くなる。図２に、シリコンウェハにマイクロ波を照射したときのマイクロ波パワーとウェハ温度の相関データを示す。図２は、マイクロ波パワーと基板温度の相関の一例を示す図である。図２に示すように、マイクロ波のパワーが大きくなるほど、ウェハ温度が上昇している。
なお、ウェハ温度は、処理室の大きさや形状、マイクロ波の導波口の位置、ウェハの位置によって変わるものであり、ここにあげるデータのウェハ温度値は一例である。しかし、マイクロ波パワーを大きくすると、ウェハ温度が高くなるという相関関係は崩れない。
また、上述したように、基板支持ピン１３を、石英のような低伝熱性材質とすることで、ウェハ１１の熱が基板支持ピン１３を介して、基板支持台１２へ逃げることを抑制できる。ここで、低伝熱性とは、少なくとも基板支持台１２よりも伝熱性が低いことをいう。これにより、ウェハ１１を均一に加熱することが可能となる。仮に、基板支持ピン１３を金属のような伝熱性の高い材質とした場合は、ウェハ１１から基板支持ピン１３への熱伝導による熱逃げがより大きくなり、その結果、ウェハ１１面内に温度の低い箇所が局所的に現われてしまうので、ウェハ１１面内を均一に加熱することが難しくなる。
図３に示すように、本実施形態では、基板支持台１２内には、ウェハ１１を冷却するための冷媒を流す冷媒流路３７が設けられており、基板支持台１２は基板冷却台として機能する。図３は、本実施形態に係る基板支持台の垂直断面概要図である。冷媒として例えば水が使用されるが、この冷媒は冷却チラーなど他の冷媒を用いても良い。冷媒流路３７は、処理室１０の外部において、冷媒流路３７へ冷媒を供給する冷媒供給管３６と、冷媒流路３７から冷媒を排出する冷媒排出管３８に接続される。冷媒供給管３６には、下流から順に、冷媒供給管３６を開閉する開閉バルブ３３、冷媒流量を制御する流量制御装置３４、冷媒源３５が設けられている。開閉バルブ３３と流量制御装置３４は、制御部８０と電気的に接続されており、制御部８０により制御される。
続いて、図４および図５を用いて、基板支持台１２及びその周辺の構造について詳しく説明する。図４は、本実施形態に係る基板支持台と基板支持台支持機構を、側面から見た断面図である。図５は、図４の部分拡大図である
図４に示すように、基板支持台１２には、冷媒流路３７が設けられている。冷媒流路３７は、基板支持台１２全体に張り巡らされており、基板を均一に冷却することができる。冷媒としては、例えば、ガルデン（登録商標）ＨＴ２００が使用される。
回転軸３１を構成するシャフト４０２は、基板支持台１２を支持する支持部である。シャフト４０２は、冷媒（冷却材）流路を内包しており、この冷媒流路は、基板支持台１２の冷媒流路３７に供給する冷媒を流し、冷媒流路３７から排出される冷媒を流す。シャフト４０２の材質は、アルミニウムである。シャフト４０２の水平断面は、円形である。シャフト４０２に内包される冷媒流路として、冷媒を冷媒供給/排出部４１７から冷媒流路３７へ供給する第１の冷媒供給路４０８、及び冷媒流路３７から排出される冷媒を流す第１の冷媒排出路４０９が配設されている。第１の冷媒供給路４０８、第２の冷媒排出路４０９は、図４に示すように、シャフト４０２内部に、互いに平行かつ離間するように設けられている。
３２は、シャフト４０２を水平回転させる回転駆動部であり、ＳＵＳ製（ステンレススチール）である。シャフト４０２の側面は、中空シャフト４２３で覆われている。中空シャフト４２３は、シャフト４０２を挟持し、シャフト４０２とともに水平回転するもので、回転時の摩擦等からシャフト４０２を保護するものである。中空シャフト４２３の材質は、ＳＵＳである。シャフト４０２と中空シャフト４２３の間には、Ｏリング４０５が設けられる。Ｏリング４０５によって、シャフト４０２のふらつきが防止されると共に、処理室１０内からのガス漏れが防止される。回転駆動部３２には、中空シャフト４２３と接する側に、真空シールとしての磁性流体シール４２０、ベアリング４２１、モータ４２２が備えられている。モータ４２２の回転運動が、中空シャフト４２３に伝えられ、シャフト４０２が水平回転する。
回転駆動部３２のケーシングに設けられたフランジ３２ａは、処理容器１８の底部と固定されている。Ｏリング４０７は、処理室１０内からガスが漏れることを防止するものである。
図５に示すように、シャフト４０２の下部先端は、シャフト受け部４１１に差し込まれる。シャフト受け部４１１の上側には、固定リング４１６が設けられ、固定リング４１６の上側には、押さえリング４１０が設けられている。シャフト受け部４１１、固定リング４１６、押さえリング４１０は、シャフト４０２と冷媒供給/排出部４１７とを接続する接続部を構成し、シャフト４０２とともに水平回転する。
図５に示すように、シャフト受け部４１１の下側には、冷媒供給/排出部４１７が設けられている。冷媒供給/排出部４１７は、シャフト４０２が水平回転するときに、水平回転せず静止状態を保つ。
冷媒供給/排出部４１７は、ＳＵＳ製である。冷媒供給/排出部４１７は、そのケーシング内部にローターが組み込まれており、接続部を介してシャフト４０２へ、冷媒を漏洩することなく供給し、また、接続部を介してシャフト４０２から、冷媒を漏洩することなく排出する。冷媒供給/排出部４１７には、第２の冷媒供給路４１８と第２の冷媒排出路４１９とが設けられている。第２の冷媒排出路４１９は、第２の冷媒供給路４１８を取り囲むように、第２の冷媒供給路４１８と同心円上に配置されている。つまり、第２の冷媒供給路４１８は内軸であり、第２の冷媒排出路４１９は内軸を囲むように設けた外軸である。このように、第２の冷媒供給路４１８と第２の冷媒排出路４１９は、２重の軸を構成している。シャフト受け部４１１は、この２重の軸を中心に水平回転するので、回転中においても、内軸から冷媒を供給し、外軸から冷媒を排出することが可能となる。
図５に示すように、シャフト４０２の先端４０２ａをＯリング４１２に当接することにより、冷媒の漏れが防止される。シャフト４０２の第１の冷媒供給路４０８と、冷媒供給/排出部４１７の第２の冷媒供給路４１８とが、２重の管が重なるように接続され、シャフト４０２の第１の冷媒排出路４０９と、冷媒供給/排出部４１７の第２の冷媒排出路４１９とが、２重の管が重なるように接続される。
シャフト４０２の第１の冷媒供給路４０８と第１の冷媒排出路４０９は、互いに平行かつ離間するように配置されている。一方、冷媒供給/排出部４１７においては、第２の冷媒排出路４１９は、第２の冷媒供給路４１８を取り囲むように、第２の冷媒供給路４１８と同心円上に配置されている。このように、シャフト４０２内の冷媒流路を２重軸構造とせず、互いに平行かつ離間する構造とすることにより、シャフト４０２の製作が容易となる。
図５に示すように、シャフト受け部４１１の上面には、固定リング４１６が設けられる。固定リング４１６は、上下方向に厚みがあるリング状（ドーナツ状）であり、略左右対称となるよう、上下方向に沿って２分割される構造である。２分割された固定リング４１６が、側面方向から、シャフト４０２の先端部側面にはめ込まれる。固定リング４１６には、凸部であるフランジ４１６ａが設けられている。フランジ４１６ａがシャフト４０２の先端部側面のくぼみに勘合した状態で、２分割された固定リング４１６を、水平方向のボルト（図示なし）により結合し固定することで、シャフト４０２に固定リング４１６が固定される。また、シャフト受け部４１１は、固定リング４１６に、ボルト等（図示なし）により固定される。このような構造とすることで、シャフト受け部４１１は、シャフト４０２と共に回転する。
次に、基板支持台と基板との距離について説明する。
基板支持台１２は金属製つまり導電性であるため、基板支持台１２においてはマイクロ波の電位がゼロとなる。したがって、仮にウェハ１１を基板支持台１２に直接置いた場合、マイクロ波の電界強度が弱い状態となる。そこで、本実施形態では、基板支持台１２の表面からマイクロ波の１／４波長（λ／４）の位置、もしくはλ／４の奇数倍の位置にウェハ１１を載置するようにする。ここでいう基板支持台１２の表面とは、基板支持台１２を構成する面の内、ウエハの裏面と対向する面を言う。λ／４の奇数倍の位置では電界が強いため、ウェハ１１を効率よくマイクロ波で加熱することができる。
具体的には、本実施形態では、たとえば５．８ＧＨｚに固定したマイクロ波を使用し、マイクロ波の波長が５１．７ｍｍであるので、基板支持台１２の表面からウェハ１１までの高さを１２．９ｍｍとなるよう設定している。つまり、基板処理時における基板支持ピン１３の上端と基板支持台１２の対向面との間の距離が、供給されるマイクロ波の１／４波長の距離となるよう設定している。
このような構成とすることで、マイクロ波のピーク位置（波形の腹の位置）にウェハ１１を位置させることができるので、ウェハ１１の加熱効率が良い。加熱効率が良いと、ウェハ１１の誘電体膜からの熱伝導により他の膜も加熱されてしまうことが考えられるが、ウェハ１１のサイズと等しいか若しくはそれより大きい面積を有し、冷却部を内蔵する金属製の基板支持台１２をウェハ１１の裏面に対向する位置に置くことで、ウェハ１１裏面の全面から熱を奪うことができる。その結果、ウェハ１１を均一に冷却することができ、ウェハ１１上の誘電体膜以外の膜の加熱を抑制することができる。
マイクロ波の周波数が時間とともに変化（可変）する形態も可能である。その場合、基板支持台１２の表面からウェハ１１までの高さは、変化する周波数帯の代表周波数の波長から求めれば良い。たとえば５．８ＧＨｚ〜７．０ＧＨｚまで変化する場合、代表周波数を変化する周波数帯のセンタ周波数とし、代表周波数６．４ＧＨｚの波長４６ｍｍより、基板支持台１２の表面からウェハ１１までの高さを１１．５ｍｍとすればよい。
更には、固定周波数の電源を複数設け、それぞれから異なる周波数のマイクロ波を切り替えて供給し、処理するようにしてもよい。
次に、基板処理装置１００における本実施形態の基板処理動作について説明する。本実施形態の基板処理は、半導体装置を製造する複数工程の中の一工程を構成するものである。この基板処理動作は、制御部８０により制御される。
（基板搬入工程）
ウェハ１１を処理室１０に搬入する基板搬入工程において、まず、ゲートバルブ７２を開き、処理室１０と搬送室とを連通させる。次に、処理対象のウェハ１１を、搬送ロボットにより、搬送室内から処理室１０内へ搬入する。処理室１０内に搬入されたウェハ１１は、搬送ロボットにより基板支持ピン１３の上端に載置され、基板支持ピン１３に支持される。次に、搬送ロボットが処理室１０内から搬送室内へ戻ると、ゲートバルブ７２が閉じられる。
（窒素ガス置換工程）
次に、後述の加熱処理工程でウェハ１１に悪影響を及ぼさないよう、処理室１０内を不活性ガス雰囲気に置換する。本例では、不活性ガスとして窒素（Ｎ２）ガスを用いる。ガス排出管６２から、真空ポンプ６４により処理室１０内のガス（雰囲気）を排出するとともに、ガス供給管５２から、Ｎ２ガスを処理室１０内に導入する。このとき、圧力調整バルブ６３により処理室１０内の圧力を所定の値、本実施形態では大気圧に調整する。
（加熱処理工程）
次に、回転駆動部３２によりウェハ１１を回転させ、所定の回転数に達し、ウェハ１１の回転数が一定の状態になった後、マイクロ波発生部２０で発生させたマイクロ波を、導波口２２から処理室１０内に導入し、ウェハ１１の表面に所定時間照射する。仮に、ウェハ１１の回転前、あるいはウェハ１１が所定の回転数に達する前に、マイクロ波を導入すると、ウェハ１１の場所によりマイクロ波照射強度のバラツキが生じるので、ウェハ１１を均一に加熱するうえで好ましくない。
本例では、このマイクロ波照射により、ウェハ１１表面上のＨｉｇｈ−ｋ膜を１００〜６００℃に加熱し、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の改質処理、つまり、Ｈｉｇｈ−ｋ膜からＣやＨ等の不純物を離脱させて、緻密化し安定した絶縁体薄膜に改質する処理を行う。このように、ウェハ１１を回転させることで、ウェハ１１をより均一に加熱することができる。
Ｈｉｇｈ−ｋ膜等の誘電体は、誘電率に応じてマイクロ波の吸収率が異なる。誘電率が高いほどマイクロ波を吸収しやすい。我々の研究によれば、ハイパワーのマイクロ波をウェハに照射し処理すると、低パワーのマイクロ波で処理するときよりも、ウェハ上の誘電体膜がより改質されることがわかった。また、マイクロ波による加熱の特徴は、誘電率εと誘電正接tanδによる誘電加熱で、この物性値が異なる物質を同時に加熱すると、加熱されやすい物質、すなわち、誘電率が高い方の物質を選択的に加熱できる。
このように、誘電率の高い物質は急速に加熱され、それ以外の物質は加熱されるのに比較的時間がかかることを利用し、ハイパワーのマイクロ波を照射することにより、誘電体に対し所望の加熱をするためのマイクロ波の照射時間を短くすることができるので、それ以外の物質は加熱される前にマイクロ波の照射を終えることにより、誘電率が高い物質を選択的に加熱することができる。
Ｈｉｇｈ−ｋ膜のアニールについて説明すると、ウェハの基板材料であるシリコンに比べ、Ｈｉｇｈ−ｋ膜は誘電率εが高い。例えば、シリコンの誘電率εは９．６であるが、Ｈｉｇｈ−ｋ膜であるＨｆＯ膜の誘電率εは２５、ＺｒＯ膜の誘電率εは３５である。よって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を成膜したウェハにマイクロ波を照射すると、Ｈｉｇｈ−ｋ膜だけ選択的に加熱することができる。
我々の研究によると、ハイパワーのマイクロ波を照射する方が膜の改質効果が大きい。ハイパワーのマイクロ波を照射すると、急速にＨｉｇｈ−ｋ膜の温度を上昇させることができる。
これに対し、比較的低パワーのマイクロ波を長時間照射した場合は、改質プロセス中にウェハ全体の温度が高くなってしまう。時間が経過すると、シリコン自身がマイクロ波により誘電加熱されるのと、マイクロ波が照射されるウェハ表面のＨｉｇｈ−ｋ膜からウェハ裏面側のシリコンへの熱伝導により、シリコンの温度も上昇してしまうからである。
ハイパワーのマイクロ波を照射する場合に膜の改質効果が大きい理由は、ウェハ全体が温度上昇し上限温度に達するまでの時間内に、誘電体を誘電加熱により高い温度まで加熱することができるためと考えられる。
そこで、本実施形態では、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の形成されたウェハ表面側にエネルギの強い直接波を照射し、誘電体とウェハとの加熱差をより大きくするようにした。また、ウェハ１１の温度上昇を抑えるためにウェハ１１を回転させることとした。これは、ウェハ面からみると、導波口２２付近に滞在する時間帯は、マイクロ波によって急速に加熱されるが、導波口２２付近から離れると、加熱されにくくウェハ温度は下がるためである。このようにすることで、ウェハ全体の温度上昇を抑えることができる。さらに好ましくは、マイクロ波を照射中に、ウェハ１１を冷却することで、ウェハ１１の温度上昇を抑制するのがよい。ウェハ１１を冷却するには、例えば、処理室１０内を通過するＮ２ガス量を増加させる、あるいは、基板支持台１２内の冷媒流路３７に冷媒を循環させるようにすればよい。
また、加熱処理工程において、制御部８０はバルブ５３を開いて、処理室１０内にガス供給管５２からＮ２ガスを導入するとともに、圧力調整バルブ６３により処理室１０内の圧力を所定の値、本実施形態では大気圧に調整しつつ、ガス排出管６２から処理室１０内のＮ２ガスを排出する。このようにして、加熱処理工程において、処理室１０内を所定の圧力値に維持する。本例では、周波数５．８ＧＨｚのマイクロ波をパワー１６００Ｗ、処理室１０内の圧力を大気圧として１分間、加熱処理を行った。このとき、処理室１０内に導入する不活性ガス（例えばＮ２ガス）の流量を制御することで、ウェハ１１の冷却を制御することもできる。
積極的にＮ２ガスの冷却効果を使う場合は、ガス供給管５２を基板支持台１２に設け、ウェハ１１と基板支持台１２の間にガスを流すことにより、ガスによる冷却効果向上を図ることもできる。このガスの流量を制御することにより、ウェハ１１の温度制御を行うこともできる。
また本実施例ではＮ２ガスを使用しているが、プロセス的、安全性に問題がなければ、熱伝達率の高い他のガス、たとえば希釈ＨｅガスなどをＮ２ガスに追加し、基板冷却効果を向上することもできる。
以上のようにして、所定時間、マイクロ波を導入して基板加熱処理を行った後、マイクロ波の導入を停止する。マイクロ波の導入を停止した後、ウェハ１１の回転を停止する。仮に、マイクロ波の導入を停止する前に、ウェハ１１の回転を停止すると、ウェハ１１内の領域によりマイクロ波照射強度のバラツキが生じるので、ウェハ１１を均一に加熱するうえで好ましくない。
（基板搬出工程）
加熱処理工程が終了すると、上述した基板搬入工程に示した手順とは逆の手順により、加熱処理したウェハ１１を処理室１０から搬送室内へ搬出する。
上述の実施形態によれば、少なくとも次の（１）〜（７）の効果を奏することができる。
（１）マイクロ波導波口を基板の中心位置から偏心させる位置とし、さらに基板を回転させることで、均一な基板加熱が可能となり、また、基板温度の上昇を抑えることができる。さらに、基板上の目的とする領域を集中的に急速加熱することができ、それ以外の領域は、熱履歴を少なくすることができる。
（２）基板の回転数が所定の一定状態になった後、マイクロ波を基板の表面に照射して加熱処理を行い、加熱処理を行った後は、マイクロ波の導入を停止した後、基板の回転を停止するようにしているので、基板内を均一に加熱することができる。
（３）基板加熱処理時における導波口２２と基板の表面との間の距離を、供給されるマイクロ波の１波長以下の距離とし、主に導波口２２からの直接波を利用することで、強いエネルギのマイクロ波をウェハに照射できるので、基板を効率よく加熱することができ、また、反射波の影響を相対的に低減できる。
（４）さらに、基板加熱処理時における導波口２２と基板の表面との間の距離を、供給されるマイクロ波の１／４波長の奇数倍の距離としているので、導波口２２から照射されるマイクロ波のピーク位置に基板を位置させることができ、基板の加熱効率が良い。
（５）基板加熱処理時における基板の裏面（基板支持部の上端）と導電性の台の基板裏面に対向する対向面との間の距離が、供給されるマイクロ波の１／４波長の奇数倍の距離となるようにしているので、導波口２２から照射されるマイクロ波のピーク位置に基板を位置させることができ、基板の加熱効率が良い。
（６）基板支持ピンを低伝熱性材質としているので、基板支持ピンから熱が逃げることを抑制でき、基板内を均一に加熱することができる。
（７）誘電率の高い材質を選択的に加熱することができる。
なお、本発明は、上述の実施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で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
また、上述の実施形態において、導波口２２を固定し基板支持部を水平方向に回転させたが、代わりに、基板支持部を固定するとともに、導波口２２の下にアンテナを接続して新たな導波口とし、基板中心位置を回転軸として、該新たな導波口を水平方向に回転させるようにしてもよい。ただし、導波口を回転しようとすると、回転機構が基板上部に設けられるため、機械的な接触などで導波口回転軸やその周辺からゴミが発生し基板に落ちてしまうことが考えられ、その結果、基板が汚染されてしまう可能性がある。したがって、導波口２２を固定し基板支持部を水平方向に回転させる方が好ましい。
また、上述の実施形態では、基板を直接支持する部材として基板支持ピン１３を用いたが、ピン以外の部材により基板を支持してもよい。
また、上述の実施形態では、ウェハに処理が施される場合について説明したが、処理対象はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。
本明細書には、少なくとも次の発明が含まれる。すなわち、第１の発明は、
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に設けられ基板を支持する基板支持部と、
前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波発生部で発生させたマイクロ波を前記処理室内に供給する導波口であって、該導波口の中心位置が、前記基板支持部で支持された基板の中心位置から偏心しており、該導波口が前記基板支持部で支持された基板の表面の一部に対向している導波口と、
前記導波口に対する前記基板支持部の水平方向における相対的な位置を変動させる制御部と、
を備える基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、マイクロ波導波口を基板の中心位置から偏心させる位置とし、導波口に対する基板支持部の相対的な位置を変動させる（例えば基板を回転させる）ことで、基板全体の熱履歴を抑えつつ均一な基板加熱が可能となる。さらに、基板上の目的とする領域を集中的に急速加熱することができ、それ以外の領域は、熱履歴を少なくすることができる。
第２の発明は、前記第１の発明における基板処理装置であって、
前記基板支持部は、該基板支持部の回転軸を中心にして水平方向に回転し、
前記導波口は、前記基板支持部の回転軸から偏心した位置に固定されている基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、導波口に対する基板支持部の相対的な位置変動を容易に実現でき、また、回転機構を基板下部に設けることができるので、基板に対する汚染を少なくすることができる。
第３の発明は、前記第１の発明又は第２の発明における基板処理装置であって、
前記導波口と前記基板支持部で支持された基板との間の距離は、前記供給されるマイクロ波の波長よりも短い距離である基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、基板に照射されるマイクロ波は、導波管から直接発射された直接波が支配的となり、より強いエネルギのマイクロ波を使うことで効率的に誘電体を加熱できる。また、導波口の直下近辺以外の領域には直接波が届かないので、その領域には熱履歴が蓄積されないため、より一層、基板上の目的とする場所を集中的に急速加熱することができ、それ以外の場所は、熱履歴を少なくすることができる。
第４の発明は、前記第１の発明ないし前記第３の発明における基板処理装置であって、
前記導波口と前記基板支持部で支持された基板との間の距離は、前記導波口から供給されるマイクロ波の１／４波長の奇数倍である基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、導波口から供給されるマイクロ波の直接波のピーク（波形の腹の位置）に基板を位置することができ、基板の高さ位置におけるマイクロ波の電界が強くなるため、基板を効率よく加熱することができる。
第５の発明は、前記第１の発明ないし第４の発明における基板処理装置であって、
前記基板支持部は、基板をその上端で支持する基板支持ピンと、前記基板支持ピンの下部に設けられた導電性の台とを備え、
基板加熱処理時における前記基板支持ピン上端と前記導電性の台との間の距離が、前記供給されるマイクロ波の１／４波長の奇数倍の距離である基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、導波口から供給されるマイクロ波のピーク（波形の腹の位置）に基板を位置することができ、基板の高さ位置におけるマイクロ波の電界が強くなるため、基板を効率よく加熱することができる。
第６の発明は、前記第５の発明における基板処理装置であって、
前記導電性の台は、冷媒流路を内蔵した金属製の台である基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、基板の高さ位置におけるマイクロ波の電界が強くなるため基板上の例えばＨｉｇｈ‐ｋ膜を効率よく加熱することができ、さらに、基板全体の加熱を抑制することができる。
第７の発明は、前記第１の発明ないし第６の発明における基板処理装置であって、
前記制御部は、前記導波口に対する前記基板支持部の水平方向における相対的な位置変動を開始した後、前記マイクロ波を前記処理室内に供給するよう制御する基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、導波口に対する基板支持部の相対的な位置変動（例えば基板支持部の回転）が安定した後、マイクロ波を供給するので、より均一な基板加熱が可能となる。
第８の発明は、
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に設けられ基板を支持する基板支持部と、
前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波発生部で発生させたマイクロ波を前記処理室内に供給する導波口であって、該導波口の中心位置が、前記基板支持部で支持された基板の中心位置から偏心しており、該導波口が前記支持された基板の表面の一部に対向する導波口と、
前記支持された基板の表面の一部に対して前記導波口が間欠的に対向するように、前記支持された基板に対する前記導波口の水平方向における相対的な位置を変動させる制御部と、
を備える基板処理装置。
このように基板処理装置を構成すると、マイクロ波導波口を基板の中心位置から偏心させる位置とし、基板の一部に対して導波口が間欠的に対向するよう相対的な位置を変動させる（例えば基板を回転させる）ことで、基板全体の熱履歴を抑えつつ均一な基板加熱が可能となる。さらに、基板上の目的とする領域を集中的に急速加熱することができ、それ以外の領域は、熱履歴を少なくすることができる。
第９の発明は、
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に設けられ基板を支持する基板支持部と、
前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、
前記マイクロ波発生部で発生させたマイクロ波を前記処理室内に供給する導波口であって、該導波口の中心位置が、前記基板支持部で支持された基板の中心位置から偏心しており、該導波口が前記基板支持部で支持された基板の表面の一部に対向している導波口と、
前記導波口に対して前記基板支持部を相対的に水平回転させる制御部と、
を備える基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
基板を処理室内に搬入する搬入工程と、
前記処理室内に設けられた基板支持部で基板を支持する支持工程と、
前記導波口に対して前記基板支持部で支持した基板を相対的に水平回転させる回転工程と、
前記基板の回転開始後に前記マイクロ波を前記基板表面に照射する照射工程と、
前記処理室内から基板を搬出する搬出工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
このように半導体装置の製造方法を構成すると、回転速度が一定になった後、マイクロ波を供給するので、面内均一に基板加熱を行うことができる。
第１０の発明は、前記第９の発明における半導体装置の製造方法であって、
前記照射工程を開始後、所定時間経過した後に前記マイクロ波の供給を停止し、前記マイクロ波の供給を停止した後、前記基板支持部で支持した基板の回転動作を停止する工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
このように半導体装置の製造方法を構成すると、回転動作中にマイクロ波の供給を停止するので、均一な加熱状態を保ったまま、基板加熱処理を終了することができる。
１０…処理室、１１…ウェハ、１２…基板支持台、１３…基板支持ピン、１４…温度検出器、１８…処理容器、２０…マイクロ波発生部、２１…導波路、２２…導波口、３１…回転軸、３２…回転駆動部、３３…開閉バルブ、３４…流量制御装置、３５…冷媒源、３６…冷媒供給管、３７…冷媒流路、３８…冷媒排出管、５２…ガス供給管、５３…開閉バルブ、５４…流量制御装置、５５…ガス供給源、６２…ガス排出管、６３…圧力調整バルブ、６４…真空ポンプ、７１…ウェハ搬送口、７２…ゲートバルブ、７３…ゲートバルブ駆動部、８０…制御部、１００…基板処理装置、４０２…シャフト、４０５…Ｏリング、４０７…Ｏリング、４０８…第１の冷媒供給路、４０９…第１の冷媒排出路、４１０…押さえリング、４１１…シャフト受け部、４１２…Ｏリング、４１６…固定リング、４１７…冷媒供給／排出部、４１８…第２の冷媒供給路、４１９…第２の冷媒排出路、４２０…真空シール、４２１…ベアリング、４２２…モータ、４２３…中空シャフト。

Claims (5)

  1. 基板を処理する処理室と、
    前記処理室内に設けられ基板を支持する基板支持部と、
    前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、
    前記マイクロ波発生部で発生させたマイクロ波を前記処理室内に供給する導波口であって、該導波口の中心位置が、前記基板支持部で支持された基板の中心位置から偏心しており、該導波口が前記基板支持部で支持された基板の表面の一部に対向している導波口と、
    前記導波口に対する前記基板支持部の水平方向における相対的な位置を変動させる制御部と、
    を備える基板処理装置。
  2. 請求項１に記載された基板処理装置であって、
    前記導波口と前記基板支持部で支持された基板との間の距離は、前記供給されるマイクロ波の波長よりも短い距離である基板処理装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載された基板処理装置であって、
    前記基板支持部は、基板をその上端で支持する基板支持ピンと、前記基板支持ピンの下部に設けられた導電性の台とを備え、
    基板処理時における前記基板支持ピン上端と前記導電性の台との間の距離が、前記供給されるマイクロ波の１／４波長の奇数倍の距離である基板処理装置。
  4. 基板を処理する処理室と、
    前記処理室内に設けられ基板を支持する基板支持部と、
    前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、
    前記マイクロ波発生部で発生させたマイクロ波を前記処理室内に供給する導波口であって、該導波口の中心位置が、前記基板支持部で支持された基板の中心位置から偏心しており、該導波口が前記支持された基板の表面の一部に対向する導波口と、
    前記支持された基板の表面の一部に対して前記導波口が間欠的に対向するように、前記支持された基板に対する前記導波口の水平方向における相対的な位置を変動させる制御部と、
    を備える基板処理装置。
  5. 基板を処理する処理室と、
    前記処理室内に設けられ基板を支持する基板支持部と、
    前記処理室外に設けられるマイクロ波発生部と、
    前記マイクロ波発生部で発生させたマイクロ波を前記処理室内に供給する導波口であって、該導波口の中心位置が、前記基板支持部で支持された基板の中心位置から偏心しており、該導波口が前記基板支持部で支持された基板の表面の一部に対向している導波口と、
    前記導波口に対して前記基板支持部を相対的に水平回転させる制御部と、
    を備える基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
    基板を処理室内に搬入する搬入工程と、
    前記処理室内に設けられた基板支持部で基板を支持する支持工程と、
    前記導波口に対して前記基板支持部で支持した基板を相対的に水平回転させる回転工程と、
    前記基板の回転開始後に前記マイクロ波を前記基板表面に照射する照射工程と、
    前記処理室内から基板を搬出する搬出工程と、
    を備える半導体装置の製造方法。
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