JP2014072224A - 基板処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

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、基板を加熱処理する。
【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前記基板が載置される側に前記基板と平行な導電性の基板載置面を有し該基板載置面から所定の距離を空けて前記基板を支持する基板支持部と、前記基板支持部で支持された基板を加熱処理するためのマイクロ波を前記処理室内へ供給するマイクロ波供給部と、前記マイクロ波による基板加熱処理時において前記基板支持部で支持された基板の表面と裏面にガスを供給するガス供給部と、前記処理室内からガスを排出する排気部と、を備えるように、基板処理装置を構成する。
【選択図】図４

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、例えば、気密な反応室に基板を装填し、反応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。

形成された薄膜に対して、更なる膜処理が成される場合がある。ここでは、膜を活性化させるためや、基板周囲の雰囲気の温度を高めるために、加熱処理が成されている。

一方で、微細な電気回路の材質として、電気特性の良い材質、例えばアルミニウム（Ａｌ）などが採用されている。しかしながら、耐熱性の低い材質の場合、電気回路を形成した後に基板を加熱処理すると、回路の変形などが起きることが危惧される。

そこで、加熱処理をする際、基板のサーマルバジェット（熱履歴）が少なく且つ均一となるような基板処理方法が求められている。

下記の特許文献１には、形成された薄膜に対して加熱処理を施す技術が開示されている。

特開２０１０−１４７４１７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、基板を加熱処理することができる基板処理技術を提供することにある。

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、前記基板が載置される側に前記基板と平行な導電性の基板載置面を有し、該基板載置面から所定の距離を空けて前記基板を支持する基板支持部と、
前記基板支持部で支持された基板を加熱処理するためのマイクロ波を、前記処理室内へ供給するマイクロ波供給部と、
前記マイクロ波による基板加熱処理時において、前記基板支持部で支持された基板の表面と裏面にガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内からガスを排出する排気部と、
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他の代表的な構成は、次のとおりである。
処理室に基板を搬入し、前記基板が載置される側に前記基板と平行な導電性の基板載置面を有し、該基板載置面から所定の距離を空けて前記基板を支持する基板支持部に基板を支持する工程と、
前記処理室にマイクロ波を供給する工程と、
前記基板の表面と裏面にガスを供給する工程と、
前記処理室内からガスを排出する工程と
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中にガスにより基板を冷却することで、サーマルバジェットを抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る基板処理装置の構成を示す概略平面図である。 本発明の第１実施形態に係る基板処理装置の構成を示す概略側面図である。 本発明の第１実施形態に係る基板処理装置における基板搬送フローの説明図である。 本発明の第１実施形態に係る処理室の基板加熱処理時における詳細側面図である。 本発明の第１実施形態に係る処理室の基板搬出入時における概略側面図である。 本発明の第１実施形態に係る処理室の基板加熱処理時における概略平面図である。 本発明の第２実施形態に係る処理室の基板加熱処理時における概略平面図である。 比較例に係る処理室の基板加熱処理時における概略側面図である。 シリコン基板にマイクロ波を照射したときのマイクロ波パワーと基板温度との相関データの一例である。

（第１実施形態）

半導体装置を製造する一工程として、例えば、成膜原料に有機材料を使って、誘電率の高い絶縁膜であるＨｉｇｈ−ｋ膜として、ＨｆＯ（Ｈａｆｎｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ、ハフニア）膜等を形成する工程が存在する。

こうして形成されたＨｆＯ膜は、有機材料に起因し、炭素（Ｃ）、水素（Ｈ）、酸素（Ｏ）を含む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Ｏ_２やＮ_２雰囲気中でヒータ加熱により６５０℃〜８００℃前後の高速アニール処理が行われる。これにより、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。このようなヒータ加熱による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。
このような膜質改善処理を低温で行うために、マイクロ波による加熱装置が検討されている。マイクロ波加熱装置は、基板上に形成された膜の改質エネルギーをマイクロ波エネルギーにより与えるものである。マイクロ波エネルギーによる加熱はヒータ加熱と比べ基板温度が低い状態で膜の改質を行うことができる。マイクロ波加熱装置においては、マイクロ波パワーを大きくすると、改質処理時間が短縮でき、改質内容も向上する。

しかしながら、マイクロ波加熱装置においては、マイクロ波パワーを大きくすると、基板温度が上昇する。図９は、処理室内に載置したシリコン基板にマイクロ波を照射したときのマイクロ波パワー（電力）と基板温度との相関データの一例を示す。横軸はマイクロ波パワーであり、縦軸はマイクロ波照射開始１０分後の基板温度である。このことから、マイクロ波パワーが小さいと基板温度は低いが、マイクロ波パワーを大きくすると基板温度は高くなることがわかる。そこで、本実施例では、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、基板を加熱処理することができる基板処理技術を説明する。

図１、図２を用いて、本発明の第１実施形態に係る基板処理装置１を説明する。図１は、基板処理装置１を上面から見たときの構成を示す概略平面図である。図２は、基板処理装置を側面から見たときの構成を示す概略側面図である。
第１実施形態に係る基板処理装置１は、半導体を製造するために予め定められた所定の処理を実行する半導体製造装置として構成されており、マイクロ波を利用して基板であるウェハを加熱処理する装置である。

第１実施形態に係る基板処理装置１は、少なくとも、基板としてのウェハに所定の処理を施す処理室を含むプロセスモジュール（ＰＭ；Process Module）１０と、ウェハが搬送される搬送室を含むフロントエンドモジュール（ＥＦＥＭ；Equipment Front End Module）２０と、ウェハが収納されて運搬される基板収容器（例えば、ＦＯＵＰ（Front−Opening Unifiled Pod）。以下「ポッド」と記載）を装置外部の搬送装置と受渡しする容器載置台としてのロードポート（ＬＰ；Load Port）３０とによって構成される。
プロセスモジュール１０及びロードポート３０は、少なくとも１つずつ設けられる。図１では、プロセスモジュール１０及びロードポート３０が３つずつ設けられているが、この構成は一例であって、本発明の構成はこの構成に限定されない。

また、制御手段としての制御部４０は、所定のプログラムファイルを実行することにより、後述する基板搬送手段としての搬送ロボット２０２を制御し、プロセスモジュール１０、フロントエンドモジュール２０及びロードポート３０間においてウェハを搬送する。
また、制御部４０は、所定のプログラムファイルを実行することにより、プロセスモジュール１０を構成する各種機構を制御し、プロセスモジュール１０内においてウェハを処理する。

（プロセスモジュール１０）
プロセスモジュール１０は、加熱処理（アニール）や、膜質改善のための改質処理などの処理をウェハに実施する。プロセスモジュール１０の詳細については後述する。
プロセスモジュール１０は、ゲートバルブ（ＧＶ；Gate Valve）１００を介して、フロントエンドモジュール２０と連通可能となっている。

（フロントエンドモジュール２０）
フロントエンドモジュール２０は、プロセスモジュール１０で処理されたウェハが載置される基板載置部２００、搬送ロボット２０２、ファン２０１等を備える。
基板載置部２００は、フロントエンドモジュール２０を構成する空間の一角に設けられ、台２０３上に備えられる。台２０３は、搬送ロボット２００を支えるロボット支持台２０５と重ならない位置に備えられており、ゲートバルブ１００やシャッタ３００を塞がないような位置としている。

フロントエンドモジュール２０の天井には、ファン２０１が備えられている。ファン２０１は、天井から基板載置部２００、搬送ロボット２０２やフロントエンドモジュール２０の底に向けて除埃された大気を供給する。これによってエアーフロー２０４を形成する。
フロントエンドモジュール２０の底部には、ファン２０１によって供給された大気を排気する排気管２０６が備えられている。排気管２０６には、ガス流れの上流からガス排出用バルブ２０７及びポンプ２０８が備えられ、フロントエンドモジュール２０内の雰囲気の排気を制御している。
エアーフロー２０４を形成することで、フロントエンドモジュール２０内を常に清浄な大気状態とすると共に、排気管２０６から排気することで、フロントエンドモジュール２０内の埃等が巻き上がらないようにしている。

なお、フロントエンドモジュール２０の排気部は、上述したように、排気管２０６、排出用バルブ２０７、ポンプ２０８を設けて積極的に雰囲気を排気する構成だけでなく、次のように構成してもよい。
即ち、フロントエンドモジュール２０の底部に開口面積が調整可能な構造のスリットを設ける。このような構成の場合、外部からのパーティクル侵入を抑制するため、内部が外部より若干加圧状態となるよう調整する。ファン２０１から供給されるエアーフロー２０４によって、雰囲気は底部のスリットから外部へ排出される。
このような構成とすることで、より安価に装置を提供することが可能となる。

搬送ロボット２０２は、前述したように、ロボット支持台２０５に支持されている。
また、搬送ロボット２０２は、プロセスモジュール１０と、ロードポート３０に搭載されたポッド３０１と、基板載置部２００との間でウェハを移載するため、アーム及びその支持軸が水平回転するよう構成される。
更には、各ゲートバルブ１００（１）〜１００（３）の近傍、シャッタ３００（１）〜３００（３）の近傍、基板支持部２００の近傍に移動するため、プロセスモジュール１０の配列方向と平行に、ロボット支持台２０５上で水平方向のスライド移動が可能となるよう構成される。
以上の構成により、搬送ロボット２０２は、プロセスモジュール１０と、ロードポート３０に搭載されたポッド３０１と、基板載置部２００との３者の間でウェハを搬送することができる。
また、搬送ロボット２０２は、ウェハを保持する基板保持部としてのアームを上下に１つずつ備える。搬送ロボット２０２は、例えば、上アームの先に未処理ウェハを載せ、各プロセスモジュール１０に対して搬入するとともに、下アームの先にプロセスモジュール１０内の処理済みウェハを載せ、各プロセスモジュール１０から搬出すること（ウェハを入れ替えて搬送すること）ができるよう構成されている。

基板載置部２００は、プロセスモジュール１０で加熱処理された処理済みのウェハを支持するものである。載置されたウェハにはエアーフロー２０４が供給され、加熱処理されたウェハを冷却する。
なお、図１と図２では、プロセスモジュール１０の数と基板載置部２００のウェハ収容数は同じ数（３つ）だけ設けられているが、本発明はこのような構成に限らず、プロセスモジュール１０の個数は、ウェハが搬送される時間に応じて適宜変更され得る。また、フロントエンドモジュール２０は、シャッタ３００を介して、ロードポート３０と連通可能となっている。

（ロードポート３０）
ロードポート３０は、基板収容器としてのポッド３０１が載置される載置台であり、複数設けられている。図１に示すように、ロードポート３０は、プロセスモジュール１０と同じ数だけ設けられているが、ロードポート３０をいくつ設けるかは、後述するウェハ搬送方式によって異なる。具体的には、１つのポッド３０１から複数のプロセスモジュール１０へウェハを搬送する振分方式によってウェハを搬送する場合には、ロードポート３０は少なくとも１つ設けられればよく、複数のポッド３０１からウェハを搬送する並列方式によってウェハを搬送する場合には、搬送先を記述した搬送レシピなどに応じて所定の数のロードポート３０が設けられる。

（ウェハ搬送方法）
以下、図３を用いて、第１実施形態に係る基板処理装置１がウェハを搬送する方法を説明する。図３は、１つのポッド３０１に収納されているウェハ１１１を各プロセスモジュール１０に１枚ずつ搬送する振分方式を説明するための図である。ここでは、ロードポート３０（１）とプロセスモジュール１０（１）〜１０（３）との間でウェハを搬送するものとする。
まず、矢印Ａに示すように、ロードポート３０（１）に載置されたポッド３０１から(１枚目の)ウェハを取り出し、矢印Ｂに示すように、プロセスモジュール１０（１）に搬入する。
次に、矢印Ａに示すように、ロードポート３０（１）に載置されたポッド３０１から次の(２枚目の)ウェハを取り出し、矢印Ｃに示すように、プロセスモジュール１０（２）に搬入する。
さらに、矢印Ａに示すように、ロードポート３０（１）に載置されたポッド３０１から次の(３枚目の)ウェハを取り出し、矢印Ｄに示すように、プロセスモジュール１０（３）に搬入する。
プロセスモジュール１０（１）〜１０（３）において処理されたウェハは、矢印Ｅのように、基板載置部２００へ載置され、エアーフロー２０４により冷却される。冷却されたウェハは順次取り出され、ロードポート３０（１）のポッドに搬送される。

（処理室）
続いて、図４を用いて、図１のプロセスモジュール１０について詳しく説明する。
図４は、第１実施形態に係るプロセスモジュール１０の基板加熱処理時における垂直断面図である。プロセスモジュール１０は、処理室１１０に、マイクロ波発生部２３等のマイクロ波供給部、ガス供給管５２等のガス供給部、排気管６２等の排気部等が備えられた構成となっている。
処理室１１０は、誘電体である半導体基板としてのウェハ１１１、例えばシリコンウェハを加熱処理する。処理室１１０内には、導電性の基板支持台１２が設けられ、ウェハ１１１は基板支持台１２上の基板支持ピン１３上に、基板面が水平方向となるように載置される。
処理室１１０を形成する処理容器１８は、処理容器を形成する壁（外殻）が、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１１０の内部と外部とをマイクロ波的に遮蔽する構造となっている。

（マイクロ波供給部）
マイクロ波発生部２３は、例えば、固定周波数のマイクロ波を発生する。マイクロ波発生部２３としては、例えばマイクロトロン、クライストロン、ジャイロトロン等が用いられる。マイクロ波発生部２３で発生したマイクロ波は、導波路２１を介して、導波口２２から処理室１１０内に照射される。導波路２１には、導波路２１内部の反射電力を少なくするマッチング機構（整合部）２６が設けられる。
処理室１１０内に供給されたマイクロ波は、ウェハ１１１の表面に向かって照射される。処理室１１０内のウェハ１１１に当たったマイクロ波は、ウェハ１１１に吸収され、ウェハ１１１はマイクロ波により誘電加熱される。
主に、導波路２１、導波口２２、マッチング機構２６からマイクロ波供給部が構成される。尚、マイクロ波発生部２３をマイクロ波供給部として含めてもよい。

（基板支持ピンと基板支持台）
処理室１１０内には、ウェハ１１１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１１１の中心と処理室１１０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）等を材質とし、複数（本実施形態においては３本）で構成される。その基板支持ピンの上端でウェハ１１１を支持する。

基板支持ピン１３の下部であってウェハ１１１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、ウェハ１１１が載置される側の面である基板載置面を有し、上面から見た形がウェハ１１１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１１１の裏面側に設けられ、該ウェハ１１１の裏面と平行で、ウェハ１１１の裏面と対向する対向面である基板載置面を有するものである。
主に、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は導電体であるため、基板支持台１２の表面、つまり基板載置面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１１１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、基板支持ピン１３を用いることで、マイクロ波の腹（ピーク）の位置にウェハ１１１が位置されるよう設定する。マイクロ波のピーク位置、つまり基板支持台１２の表面からλ／４の奇数倍の位置（λはマイクロ波の波長）では電界が強いため、ウェハ１１１を効率よくマイクロ波で加熱することができる。なお、ウェハ１１１の位置は、厳密に基板載置面からλ／４の奇数倍の位置である必要はなく、実用的にウェハ１１１をマイクロ波で加熱することができる位置であればよい。
更には、基板支持台１２が導電体であるため、基板支持台１２の表面にてマイクロ波エネルギーを消費することがないので、基板支持台１２からの反射波によってもウェハ１１１を効率よく加熱することができる。

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。

基板支持台１２は、ステンレス（ＳＵＳ）等の金属製の回転軸１４で支えられ、回転軸１４は、駆動部１５により水平方向に回転する。したがって、駆動部１５により、回転軸１４、基板支持台１２、基板支持ピン１３、ウェハ１１１を、水平方向に回転することができる。また、駆動部１５は、回転軸１４を垂直方向に昇降する。したがって、駆動部１５により、回転軸１４、基板支持台１２、基板支持ピン１３、ウェハ１１１を、垂直方向に昇降することができる。駆動部１５は、制御部４０と電気的に接続されており、制御部４０により制御される。

（ガス供給部と排気部）
例えば直方体である処理容器１８の側壁、つまり処理室１１０の側壁には、例えば窒素（Ｎ_２）等のガスを供給するガス供給管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が設けられている。このバルブ５３を開閉することで、処理室１１０内にガス供給管５２からガスが供給、又は供給停止される。ガス供給管５２から供給されるガスは、ウェハ１１１を冷却したり、パージガスとして処理室１１０内のガスを押し出したりするのに用いられる。
主に、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。尚、ガス供給源５５をガス供給部に含めても良い。
流量制御装置５４とバルブ５３は、制御部４０と電気的に接続されており、制御部４０により制御される。

また、処理室１１０の側壁には、処理室１１０内のガスを排気する排気管６２が設けられている。排気管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１１０内の圧力が所定の値に調整される。
主に、排気管６２と圧力調整バルブ６３から、排気部が構成される。尚、排気部に真空ポンプ６４を含めても良い。
圧力調整バルブ６３と真空ポンプ６４は、制御部４０と電気的に接続されており、制御部４０により圧力制御される。

図４に示すように、ガス供給管５２は、処理室１１０の側壁に設けられたガス供給口５２ａにより、処理室１１０内へ開口している。また、排気管６２は、処理室１１０の側壁に設けられた排気口６２ａにより、処理室１１０内へ開口している。ガス供給口５２ａと排気口６２ａは、その垂直方向の位置がほぼ同じである。排気口６２ａは、ガス供給口５２ａと対向する位置に設けられている。ガス供給口５２ａ及び排気口６２ａの上端は、基板加熱処理時におけるウェハ１１１の表面よりも上方に位置し、ガス供給口５２ａ及び排気口６２ａの下端は、基板加熱処理時におけるウェハ１１１の裏面よりも下方に位置している。
図６は、図４の処理室を上面から見た図であり、第１実施形態に係る処理室の基板加熱処理時における概略平面図である。図４と図６において破線矢印はガスの流れを示す。図４と図６に示すように、排気口６２ａは、垂直方向及び水平方向において、ガス供給口５２ａと対向する位置に設けられている。

図４に示すように、ガス供給口５２ａと排気口６２ａは、いずれも、その垂直方向（高さ方向、つまり図４における上下方向）の径は、ウェハ１１１の厚さよりも大きく、加熱処理時におけるウェハ１１１の垂直方向の位置（基板加熱処理位置）は、ウェハ１１１の側端部１１１ａがガス供給口５２ａ及び排気口６２ａと対向するように構成されている。図４の例では、ウェハ１１１の垂直方向の位置が、ガス供給口５２ａ及び排気口６２ａの垂直方向における中間位置となるように構成されている。
したがって、ガス供給口５２ａから水平方向に流出されたガスは、図４の破線矢印に示すように、ウェハ１１１の表面（図４における上面）と裏面（図４における下面）に沿って水平方向に流れ、排気口６２ａに水平方向に流入する。これにより、ウェハ１１１の表面と裏面の両面から、ガスで効率よくウェハ１１１を冷却することができる。
また、ウェハ１１１の面に平行にガスを流すので、ウェハ１１１の面に対して垂直方向にガスを流す場合に比べ、ウェハ１１１がガスに押される力は弱い。したがって、後述の比較例のようにウェハ１１１の面に垂直方向にガスを流す場合に比べ、多量のガスを流すことができ、ウェハ１１１の除熱を効率よく行うことができる。

ガスを供給する際、基板支持台１２は、ステンレス（ＳＵＳ）等の金属製の回転軸１４で支えられ、回転軸１４は、駆動部１５により水平方向に回転する。したがって、駆動部１５により、回転軸１４、基板支持台１２、基板支持ピン１３、ウェハ１１１を、水平方向に回転する。回転することで、基板の周方向に対して均一にガスを供給することができる。即ち、基板を均一に冷却することができる。

なお、図６の例では、ガス供給口５２ａと排気口６２ａの垂直断面は例えば円形であるが、ガス供給口５２ａと排気口６２ａのいずれか一方又は両方を、基板支持ピン１３で支持されるウェハ面と同じ方向、つまり水平方向に長い横長のスリット状に形成してもよい。例えば、図６において、ガス供給口５２ａと排気口６２ａの両方の水平方向（図６における上下方向）の径を、ウェハ１１１の直径よりも長くなるように構成することもできる。このようにすると、ガスがウェハ１１１の面上に広がって流れ易くなり、冷却効率が上がる。

（ウェハ搬送口）
図５は、第１実施形態に係る処理室の基板搬出入時における概略側面図である。図５に示すように、処理容器１８の下部であって処理室１１０の側壁には、処理室１１０の内外にウェハ１１１を搬送するためのウェハ搬送口１０２が設けられている。処理室１１０は、下部のウェハ搬出入エリア（領域）と上部のウェハ加熱処理エリアとに分かれている。
ウェハ搬送口１０２は、基板加熱処理時における処理室１１０内の基板支持台１２の位置の下方である処理容器１８の側壁、つまり、ウェハ搬出入エリアの処理容器１８の側壁に設けられている。ウェハ搬送口１０２には、ゲートバルブ１００が設けられており、ゲートバルブ駆動部１０１によりゲートバルブ１００を開けることにより、処理室１１０内とフロントエンドモジュール２０の搬送室内とが連通するように構成されている。

上述したように、フロントエンドモジュール２０の搬送室内には、ウェハ１１１を搬送する搬送ロボット２０２が設けられている。基板支持ピン１３と基板支持台１２をウェハ搬出入エリアの基板搬送位置まで降下させ、ゲートバルブ１００を開くことによって、搬送ロボット２０２により処理室１１０内と搬送室内との間で、ウェハ１１１を搬送することができる。
処理室１１０内と搬送室内との間におけるウェハ１１１の搬送が終了すると、ゲートバルブ１００が閉じられる。処理室１１０内は、気密にシール（密閉）され、また、電磁的にもシールされて、処理室１１０内からガスもマイクロ波も漏洩しない状態となる。

（制御部）
基板処理装置１は、この基板処理装置１の各構成部分の動作を制御する制御部４０を備え、制御部４０は、マイクロ波発生部２３、ゲートバルブ駆動部１０１、搬送ロボット２０２、流量制御装置５４、バルブ５３、圧力調整バルブ６３、駆動部１５等の各構成部の動作を制御する。

（基板処理動作）
次に、基板処理装置１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４０により制御される。この基板処理は、次に述べるように、基板搬入工程、窒素ガス置換工程、加熱処理工程、基板搬出工程の順に行われる。

（基板搬入工程）
ウェハ１１１を処理室１１０に搬入する基板搬入工程において、まず、ゲートバルブ１００を開き、処理室１１０とフロントエンドモジュール２０とを連通させる。次に、基板支持台１２を基板加熱処理位置よりも下方の基板搬送位置まで降下させ、処理対象のウェハ１１１を、搬送ロボット２０２により、フロントエンドモジュール２０内からウェハ搬送口１０２を経て処理室１１０内へ搬入する。処理室１１０内に搬入されたウェハ１１１は、搬送ロボット２０２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。搬送ロボット２０２を処理室１１０内からフロントエンドモジュール２０内へ戻した後、ゲートバルブ１００を閉じ、基板支持台１２を基板加熱処理位置へ上昇させる。

（窒素ガス置換工程）
ウェハ１１１が搬入された後、処理室１１０内を不活性ガス雰囲気に置換する。ウェハ１１１を搬入すると処理室１１０の外の大気雰囲気が処理室１１０内に巻き込まれるので、この大気雰囲気中の水分や酸素が、後述の加熱処理工程でのプロセスに影響しないように処理室１１０内の不活性ガス置換を行う。本例では、不活性ガスとして窒素（Ｎ_２）ガスを用いる。排気管６２から、真空ポンプ６４により処理室１１０内のガス（雰囲気）を排出するとともに、ガス供給管５２から、例えば室温程度（約２５℃）の温度のＮ_２ガスを処理室１１０内に導入する。このとき、圧力調整バルブ６３により処理室１１０内の圧力を所定の値、本実施形態では大気圧に調整する。
なお、このガス置換工程は、ウェハ処理を開始する前の準備工程の一部として行われてもよい。また、同時に複数の処理室１１０内を窒素雰囲気に置換してもよい。

（加熱処理工程）
次に、駆動部１５によりウェハ１１１を所定の回転数で回転させ、ガス供給口５２ａから例えば室温程度（約２５℃）の温度のＮ_２ガスを処理室１１０内に供給しながら、マイクロ波発生部２３で発生させたマイクロ波を、導波口２２から処理室１１０内に導入し、ウェハ１１１の表面に所定時間照射する。このマイクロ波照射により、ウェハの表面上のＨｉｇｈ−ｋ膜を１００〜６００℃に加熱してＨｉｇｈ−ｋ膜を改質する。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 (膜質改善)。

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。マイクロ波をウェハに照射し処理することにより、ウェハ上の誘電体膜が加熱され改質される。また、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。
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ことにより、加熱されやすい物質、すなわち、誘電率が高い方の物質だけ選択的に加熱できることである。
すなわち、誘電率とtanδの積が大き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、それ以外の物質が加熱される前にマイクロ波の照射を終えることにより、誘電率とtanδの積が大き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。また、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。よって、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。

マイクロ波によりＨｉｇｈ−ｋ膜を加熱し続けると、Ｈｉｇｈ−ｋ膜からシリコン基板への熱伝導により、Ｈｉｇｈ−ｋ膜とは異なる膜も加熱されてしまうことがある。この場合、前の工程で処理された温度より高い温度となると、既に構築されている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難しい。
そこで、本実施形態では、マイクロ波を照射中に、ウェハ１１１の側方から冷却用ガスをウェハ１１１の表裏両面に供給しつつ基板支持台１２を回転し、ウェハ１１１を冷却している。ガスでウェハ１１１を冷却することにより、Ｈｉｇｈ−ｋ膜以外のシリコン基板が高温に加熱されることを防止している。即ち、ウェハ１１１のサーマルバジェットを低減している。
また、ウェハ１１１を水平回転させることにより、マイクロ波をウェハ１１１の全面に照射できるとともに、冷却用ガスがウェハ１１１の全面に広がり易くなるので、ウェハ１１１の冷却効果が増す。

加熱処理工程において、開閉バルブ５３を開いて、処理室１１０内にガス供給管５２からＮ_２ガスを導入する。それと併行して、圧力調整バルブ６３により処理室１１０内の圧力を所定の値（例えば大気圧）に調整しつつ、排気管６２から処理室１１０内のＮ_２ガスを排気する。このようにして、加熱処理工程において、処理室１１０内を予め定められた圧力値に維持する。本実施形態では、周波数５．８ＧＨｚのマイクロ波をパワー１６００Ｗ、処理室１１０内の圧力を大気圧として５分間、加熱処理を行った。このようにして、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。
なお、ここでは、ウェハ１１１を回転させながら基板処理を行っているが、ウェハを回転させずに基板処理を行うことも可能である。しかし、マイクロ波照射やガスによる冷却をウェハ１１１の全面に均一に行う上で、ウェハを回転させながら加熱処理を行うことが好ましい。

以上のようにして、所定時間、冷却用ガスをウェハ１１１の表裏両面に供給しつつ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１１１の回転を停止する。

（基板搬出工程）
加熱処理工程が終了すると、基板支持台１２を基板加熱処理位置から基板搬送位置まで降下させ、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１１１を処理室１１０から搬出し、フロントエンドモジュール２０内へ搬出する。

（比較例）
次に、図８を用いて、比較例を説明する。図８は、比較例に係る処理室の基板加熱処理時における概略側面図である。図８において、図４と同じ構成には同じ符号を付している。
この比較例においては、処理容器１８の底部にガス供給口５２ａが設けられ、処理容器１８の天井部に排気口６２ａが設けられている。ガス供給口５２ａから流出した冷却用ガスは、ウェハ１１１の裏面に衝突し、ウェハ１１１と基板支持台１２との間の空間を通過して処理室１１０内を上昇し、天井部の排気口６２ａから排出されるように構成されている。

ウェハ１１１の冷却（除熱）には、ウェハ１１１の表面を流れるガスの流速を速くし、大流量の冷却用ガスをウェハ１１１に当てることが有効であるが、図８の構造の場合は、冷却用ガス流量を多くすると、ガスの圧力によりウェハ１１１が基板支持ピン１３から浮いて、ウェハ１１１の位置ずれを起こすおそれが生じるので、大流量の冷却用ガスをウェハ面に当てることはできない。
また、図８の構造の場合は、ウェハ１１１の下方から冷却用ガスを当てるので、ウェハ１１１の裏面は、ガスの熱伝達による除熱効果を期待できるが、ウェハ１１１の表面は、ウェハ１１１自身がガスの流れを遮断する壁の役割を果たすため、ガスの流れを作ることができない。このため、ウェハ１１１の表面は、その近傍雰囲気への自然放熱程度の熱伝達しか期待できず、除熱効果は小さい。
また、図８の構造の場合は、ウェハ１１１の下方から冷却用ガスを当てるので、ウェハ１１１の裏面と表面の温度差が大きくなる。このため、温度差に起因するウェハの反りが発生するおそれがある。

上述した第１実施形態では、ウェハ１１１の側方からウェハ１１１の表裏両面に沿って冷却用ガスを流すので、ウェハ１１１の表裏両面から冷却することができ、図８の比較例よりも除熱効果は大きくなる。また、ウェハ１１１の表裏両面に沿って冷却用ガスを流すので、ウェハ１１１に当たる冷却用ガスの圧力が図８の比較例よりも小さい。したがって、図８の比較例よりも多量の冷却用ガスを流すことができ、除熱効果は大きくなる。
また、上述した第１実施形態では、ウェハ１１１の裏面と表面の温度差を抑制できるので、温度差に起因するウェハの反りを抑制することができる。

第１実施形態によれば、少なくとも次の（１）〜（６）の効果を奏することができる。
（１）マイクロ波によりウェハを加熱処理中にウェハの表裏両面に冷却用ガスを流すので、ウェハの表裏両面から効果的に冷却することができ、比較例に比べ冷却効率を向上させることができる。
（２）ウェハの表裏両面に冷却用ガスを流すので、ウェハの表裏両面から冷却することができ、また、ウェハの反りを抑制することができる。
（３）ウェハの表裏両面に沿って冷却用ガスを流すので、冷却用ガスを高速で流すことができ、ウェハの冷却効果を向上させることができる。
（４）ウェハの側方から冷却用ガスを流すので、ウェハの位置ずれを防止することができる。
（５）ウェハの表裏両面に冷却用ガスを流す際に、ウェハを回転させるので、ウェハ全体をムラなく冷却することができる。
（６）ガス供給口又は排気口を横長のスリット状に設けるように構成した場合は、ガスがウェハの面上に広がって流れ易くなり、冷却効率を向上することができる。

（第２実施形態）
次に、図７を用いて、本発明の第２実施形態を説明する。図７は、第２実施形態に係る処理室の基板加熱処理時における概略平面図である。第２実施形態において、第１実施形態と異なるのは、排気口６２ａの位置と数であり、他は第１実施形態と同じであるので、異なる部分のみ説明する。
第２実施形態においては、複数の排気口６２ａを設けるように構成する。図７の例では、２つの排気口６２ａを、ガス供給口５２ａからのガス流れ方向と垂直なウェハ１１１の中心線Ａを境にして、ガス供給口５２ａと反対側に設けている。中心線Ａは、ガス供給口５２ａからのガス流れ方向（図７の横方向）と垂直な方向（図７の縦方向）の直線であり、ウェハ１１１の中心を通る。

複数の排気口６２ａは、前記ガス供給口と対向する位置Ｃから見て、即ちガス供給口５２ａからのガス流れ方向に対して等距離だけ離間するように設けている。
更には、複数の排気口６２ａは、排気路６２ｂに接続されている。排気路６２ｂは、ガス供給口５２ｂから供給されるガスの方向に対して、斜め方向に形成されている。
このような構成とすることで、ガス供給口５２ａから供給されたガスがウェハ１１１面上で扇状に広がり易くなる。そのため、ウェハ１１１の面内に対して均一にガスを供給し易くなる。即ち、基板面内を均一に冷却しやすくなり、そのためウェハ１１１面上に温度ムラが生じ難くなる。

また、図７の例では、ガス供給口５２ａを１つ設け、排気口６２ａを２つ設けたが、ウェハ１１１の面と同じ平面上に、ウェハ１１１の外周に沿って、ガス供給口５２ａと排気口６２ａをそれぞれ複数設けるように構成してもよい。このようにすると、ガスがウェハ１１１の面上により広がって流れ易くなり、さらにウェハ１１１の冷却効率が上がる。
また、複数の排気口６２ａの両端の間の間隔を、ウェハ１１１の直径よりも広くするように構成してもよい。例えば、図７の例では、図７の上側の排気口６２ａの上端と下側の排気口６２ａの下端との間隔Ｂは、ウェハ１１１の直径よりも狭いが、これをウェハ１１１の直径よりも広くする。このようにすると、さらにガスがウェハ１１１の面上に広がって流れ易くなり、さらにウェハ１１１の冷却効率が上がる。

第２実施形態によれば、第１実施形態の（１）〜（６）の効果に加え、次の（７）の効果を奏することができる。
（７）ガス供給口と排気口のいずれか一方又は両方を複数設けるようにしたので、ガス供給口から流出したガスがウェハ面上で広がり易くなる。そのため、ウェハ１１１を冷却し易くなり、また、ウェハ１１１面上に温度ムラが生じ難くなる。

なお、本発明は、上述の各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。

上述の各実施形態では、基板冷却用ガスとしてＮ_２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、より熱伝達率の高い他のガス（例えば希釈Ｈｅガス）をＮ_２ガスに追加し、基板の冷却効果を向上させてもよい。

また、処理室１１０内における圧力調整用のガスと、基板冷却用ガスとが異なる種類であってもよい。例えば、処理室１１０内における圧力調整にＮ_２ガスを使用し、基板冷却に希釈Ｈｅガスを使用してもよい。

また、上述の各実施形態では、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、上述の各実施形態では、基板を冷却する例を説明したが、基板を均一に処理することを目的とした場合、例えばＣＶＤ法やＡＬＤ法など成膜プロセスに用いても良い。

また、上述の各実施形態では、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。

以下に、付記として本発明の態様を記す。
＜付記１＞
基板を処理する処理室と、
前記処理室内に設けられ、前記基板が載置される側に前記基板と平行な導電性の基板載置面を有し、該基板載置面から所定の距離を空けて前記基板を支持する基板支持部と、
前記基板支持部で支持された基板を加熱処理するためのマイクロ波を、前記処理室内へ供給するマイクロ波供給部と、
前記マイクロ波による基板加熱処理時において、前記基板支持部で支持された基板の表面と裏面にガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内からガスを排出する排気部と、
を備える基板処理装置。

＜付記２＞
付記１の基板処理装置であって、
前記基板載置面と前記基板との間の前記所定の距離が、前記マイクロ波の１／４波長の奇数倍の距離である基板処理装置。

＜付記３＞
付記１又は付記２の基板処理装置であって、
前記基板加熱処理時において前記ガス供給部から供給されるガスが、前記基板支持部で支持された基板の表面と裏面に沿って流れるように構成された基板処理装置。

＜付記４＞
付記１ないし付記３の構成の基板処理装置であって、
前記ガス供給部は前記処理室に開口するガス供給口を有し、前記排気部は前記処理室に開口する排気口を有し、
前記ガス供給口及び前記排気口が、前記基板加熱処理時において前記基板支持部で支持される基板面を含む平面上に配置されている基板処理装置。

＜付記５＞
付記４記載の基板処理装置であって、
前記ガス供給口及び前記排気口の上端は、前記基板加熱処理時において前記基板支持部で支持される基板の表面よりも上方に位置し、前記ガス供給口及び前記排気口の下端は、前記基板加熱処理時において前記基板支持部で支持される基板の裏面よりも下方に位置するように構成された基板処理装置。

＜付記６＞
付記４又は付記５の構成の基板処理装置であって、
前記ガス供給口又は前記排気口の少なくとも一方は、複数設けられているか、又は前記基板支持部で支持される基板面と同じ方向に長い横長である基板処理装置。

＜付記７＞
付記４ないし付記６の構成の基板処理装置であって、
前記ガス供給口と前記排気口は、前記ガス供給口からのガス流れ方向と垂直な方向に直線状に延びる基板の中心線を境界にして、互いに反対側に配置されている基板処理装置。

＜付記８＞
付記１ないし付記７の構成の基板処理装置であって、さらに、
前記基板支持部を回転させる駆動部を備える基板処理装置。

＜付記９＞
基板を処理する処理室と、
前記処理室内へマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
前記処理室内に設けられ、前記基板が載置される側に前記基板と平行な導電性の基板載置面を有し、該基板載置面から所定の距離を空けて前記基板を支持する基板支持部と、
前記基板支持部で支持された基板の表面と裏面にガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内からガスを排出する排気部と、
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、
前記基板載置面から前記所定の距離を空けて前記基板支持部で前記基板を支持する基板支持工程と、
前記基板支持部で支持された前記基板の表面と裏面にガスを供給するガス供給工程と、
前記マイクロ波供給部から前記処理室内へマイクロ波を供給するマイクロ波供給工程と、
を備える半導体装置の製造方法。

＜付記１０＞
基板を処理する処理室と、
前記処理室内へマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
前記処理室内に設けられ、前記基板が載置される側に前記基板と平行な導電性の基板載置面を有し、該基板載置面から所定の距離を空けて前記基板を支持する基板支持部と、
前記基板支持部で支持された基板の表面と裏面にガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内からガスを排出する排気部と、
を備える基板処理装置を用いた基板処理方法であって、
前記基板載置面から前記所定の距離を空けて前記基板支持部で前記基板を支持する基板支持工程と、
前記基板支持部で支持された前記基板の表面と裏面にガスを供給するガス供給工程と、
前記マイクロ波供給部から前記処理室内へマイクロ波を供給するマイクロ波供給工程と、
を備える基板処理方法。

＜付記１１＞
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、
前記基板支持部で支持された基板の表面と裏面にガスを供給するガス供給部と、
前記処理室内からガスを排出する排気部と、
を備える基板処理装置。

＜付記１２＞
付記１１の基板処理装置において、
前記排気部は複数の排気口を有し、
前記ガス供給部はガス供給口を有し、
前記複数の排気口は、前記ガス供給口から流れるガスのガス流れ方向に対して等距離だけ離間するよう構成されている基板処理装置。

＜付記１３＞
処理室に基板を搬入し、前記基板が載置される側に前記基板と平行な導電性の基板載置面を有し、該基板載置面から所定の距離を空けて前記基板を支持する基板支持部に基板を支持する工程と、
前記処理室にマイクロ波を供給する工程と、
前記基板の表面と裏面にガスを供給する工程と、
前記処理室内からガスを排出する工程と
を備える半導体装置の製造方法。

１…基板処理装置、１０…プロセスモジュール（ＰＭ）、１２…基板支持台、１３…基板支持ピン、１４…回転軸、１５…駆動部、１８…処理容器、２０…フロントエンドモジュール（ＥＦＥＭ）、２１…導波路、２２…導波口、２３…マイクロ波発生部、２６…マッチング機構、３０…ロードポート（ＬＰ）、４０…制御部、５２…ガス供給管、５２ａ…ガス供給口、５３…開閉バルブ、５４…流量制御装置、５５…ガス供給源、６２…排気管、６２ａ…排気口、６３…圧力調整バルブ、６４…真空ポンプ、１００…ゲートバルブ（ＧＶ）、１０１…ゲートバルブ駆動部、１０２…ウェハ搬送口、１１０…処理室、１１１…ウェハ、１１１ａ…側端部、２００…基板載置部、２０１…ファン、２０２…搬送ロボット、２０３…台、２０４…エアーフロー、２０５…ロボット支持台、２０６…排気管、２０７…ガス排出用バルブ、２０８…ポンプ、３００…シャッタ、３０１…ポッド。

Claims (3)

1. 基板を処理する処理室と、
   前記処理室内に設けられ、前記基板が載置される側に前記基板と平行な導電性の基板載置面を有し、該基板載置面から所定の距離を空けて前記基板を支持する基板支持部と、
   前記基板支持部で支持された基板を加熱処理するためのマイクロ波を、前記処理室内へ供給するマイクロ波供給部と、
   前記マイクロ波による基板加熱処理時において、前記基板支持部で支持された基板の表面と裏面にガスを供給するガス供給部と、
   前記処理室内からガスを排出する排気部と、
   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、
   前記ガス供給部は前記処理室に開口するガス供給口を有し、前記排気部は前記処理室に開口する排気口を有し
   前記ガス供給口及び前記排気口の上端は、前記基板加熱処理時において前記基板支持部で支持される基板の表面よりも上方に位置し、前記ガス供給口及び前記排気口の下端は、前記基板加熱処理時において前記基板支持部で支持される基板の裏面よりも下方に位置するように構成された基板処理装置。
3. 処理室に基板を搬入し、前記基板が載置される側に前記基板と平行な導電性の基板載置面を有し、該基板載置面から所定の距離を空けて前記基板を支持する基板支持部に基板を支持する工程と、
   前記処理室にマイクロ波を供給する工程と、
   前記基板の表面と裏面にガスを供給する工程と、
   前記処理室内からガスを排出する工程と
   を備える半導体装置の製造方法。

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