JP2022047759A - 金属配線形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属配線を低抵抗化することができる金属配線形成方法を提供する。【解決手段】シリコンの半導体ウェハーにコバルトを堆積して金属配線を形成する。金属配線を形成した半導体ウェハーをチャンバー内に搬入する。チャンバー内を大気圧未満に減圧するとともに、チャンバー内にフォーミングガスを供給して還元雰囲気を形成する。半導体ウェハーを予備加熱した後、半導体ウェハーにフラッシュ光を照射して加熱する。堆積後の金属配線を加熱して結晶粒を粗大化させることにより、金属配線を低抵抗化することができる。また、減圧下でフラッシュ光照射によって金属配線を極短時間加熱することにより、不純物元素が金属配線に侵入するのを防止することができる。さらに、還元雰囲気で金属配線を加熱することにより、金属配線中の不純物を還元して除去することができる。【選択図】図８

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り 第８１回応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集、第１４３頁、応用物理学会

本発明は、半導体ウェハー等の薄板状精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）上にコバルト等の金属配線を形成する金属配線形成方法に関する。

近年の集積回路は、１０億個を超える膨大な数のトランジスタによって構成されている。これら多数のトランジスタを同時に、高速で、かつ相補的に動作させることにより、ロジック機能やメモリ機能を創出している。

メモリ機能等を実現するために、多数のトランジスタは金属配線によって相互に接続されている。特許文献１には、金属材料としてタングステン（Ｗ）を用い、コンタクトホールにＣＶＤによってタングステン膜を形成することが開示されている。また、特許文献２には、ＣＶＤによってタングステンのコンタクトプラグを形成することが開示されている。さらに、特許文献３には、金属材料としてタングステン（Ｗ）だけでなく、コバルト（Ｃｏ）やモリブデン（Ｍｏ）を用いることが開示されている。

特開２０１５－１４９３５４号公報 国際公開第２００７／１１６４３３号 特開２０１７－９８４２８号公報

しかしながら、半導体デバイスの微細化に伴って、金属配線の抵抗率の上昇が問題となっている。特に、微細なコンタクトホールに金属材料を埋め込んだときに、抵抗率の上昇が顕著となる。金属配線の抵抗率が上昇するとデバイス特性の劣化に繋がる。

また、特許文献１，２に開示されるように、金属配線は金属材料をＣＶＤやＡＬＤによって堆積することにより形成される。典型的には、堆積後の金属配線には、堆積時不純物の脱離と高密度化の目的で熱処理が行われる。しかし、熱処理時に、酸素や窒素等の微量のガス元素が金属配線中に侵入することにより、抵抗率がさらに上昇したり、キャリア移動の妨害等の問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、金属配線を低抵抗化することができる金属配線形成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板上に金属配線を形成する金属配線形成方法において、基板上に金属を金属配線として堆積させる堆積工程と、前記基板をチャンバー内に収容する収容工程と、前記チャンバー内に還元性ガスを供給して還元雰囲気を形成する雰囲気形成工程と、フラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射して前記金属配線を加熱する加熱工程と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る金属配線形成方法において、前記雰囲気形成工程の前に、前記チャンバー内を大気圧よりも低い圧力に減圧する減圧工程をさらに備え、前記加熱工程は、大気圧よりも低い圧力にて実行することを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る金属配線形成方法において、前記加熱工程の後に、前記基板が４００℃以下にまで降温してから前記基板を前記チャンバーから搬出する搬出工程をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る金属配線形成方法において、前記加熱工程の前に、前記基板を所定温度に予備加熱する予備加熱工程をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る金属配線形成方法において、前記還元性ガスは、水素を含むことを特徴とする。

また、請求項６の発明は、請求項１から請求項５のいずれかの発明に係る金属配線形成方法において、前記金属はコバルト、タングステン、モリブデン、チタン、クロムおよび銅からなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする。

請求項１から請求項６の発明によれば、金属配線を堆積した基板に還元雰囲気中にてフラッシュ光を照射して金属配線を加熱するため、金属配線中の結晶粒を粗大化させて金属配線を低抵抗化することができる。

特に、請求項２の発明によれば、加熱工程は、大気圧よりも低い圧力にて実行するため、不純物元素が金属配線に侵入するのを防止することができる。

特に、請求項３の発明によれば、基板が４００℃以下にまで降温してから基板をチャンバーから搬出するため、搬出後の金属配線の酸化を抑制することができる。

本発明に係る金属配線形成方法の熱処理工程を実行する熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 保持部の全体外観を示す斜視図である。 サセプタの平面図である。 サセプタの断面図である。 移載機構の平面図である。 移載機構の側面図である。 複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。 本発明に係る金属配線形成方法の処理手順を示すフローチャートである。 半導体ウェハーにコバルトが堆積された状態の一例を示す図である。 チャンバー内の圧力変化を示す図である。 半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る金属配線形成方法の熱処理工程を実行する熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。図１の熱処理装置１は、基板として円板形状の半導体ウェハーＷに対してフラッシュ光照射を行うことによってその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍである。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。

熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するフラッシュ加熱部５と、複数のハロゲンランプＨＬを内蔵するハロゲン加熱部４と、を備える。チャンバー６の上側にフラッシュ加熱部５が設けられるとともに、下側にハロゲン加熱部４が設けられている。また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に保持する保持部７と、保持部７と装置外部との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う移載機構１０と、を備える。さらに、熱処理装置１は、ハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。

チャンバー６は、筒状のチャンバー側部６１の上下に石英製のチャンバー窓を装着して構成されている。チャンバー側部６１は上下が開口された概略筒形状を有しており、上側開口には上側チャンバー窓６３が装着されて閉塞され、下側開口には下側チャンバー窓６４が装着されて閉塞されている。チャンバー６の天井部を構成する上側チャンバー窓６３は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュ加熱部５から出射されたフラッシュ光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、チャンバー６の床部を構成する下側チャンバー窓６４も、石英により形成された円板形状部材であり、ハロゲン加熱部４からの光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。

また、チャンバー側部６１の内側の壁面の上部には反射リング６８が装着され、下部には反射リング６９が装着されている。反射リング６８，６９は、ともに円環状に形成されている。上側の反射リング６８は、チャンバー側部６１の上側から嵌め込むことによって装着される。一方、下側の反射リング６９は、チャンバー側部６１の下側から嵌め込んで図示省略のビスで留めることによって装着される。すなわち、反射リング６８，６９は、ともに着脱自在にチャンバー側部６１に装着されるものである。チャンバー６の内側空間、すなわち上側チャンバー窓６３、下側チャンバー窓６４、チャンバー側部６１および反射リング６８，６９によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。

チャンバー側部６１に反射リング６８，６９が装着されることによって、チャンバー６の内壁面に凹部６２が形成される。すなわち、チャンバー側部６１の内壁面のうち反射リング６８，６９が装着されていない中央部分と、反射リング６８の下端面と、反射リング６９の上端面とで囲まれた凹部６２が形成される。凹部６２は、チャンバー６の内壁面に水平方向に沿って円環状に形成され、半導体ウェハーＷを保持する保持部７を囲繞する。チャンバー側部６１および反射リング６８，６９は、強度と耐熱性に優れた金属材料（例えば、ステンレススチール）にて形成されている。

また、チャンバー側部６１には、チャンバー６に対して半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部（炉口）６６が形設されている。搬送開口部６６は、ゲートバルブ１８５によって開閉可能とされている。搬送開口部６６は凹部６２の外周面に連通接続されている。このため、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を開放しているときには、搬送開口部６６から凹部６２を通過して熱処理空間６５への半導体ウェハーＷの搬入および熱処理空間６５からの半導体ウェハーＷの搬出を行うことができる。また、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を閉鎖するとチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。

さらに、チャンバー側部６１には、貫通孔６１ａが穿設されている。チャンバー側部６１の外壁面の貫通孔６１ａが設けられている部位には放射温度計２０が取り付けられている。貫通孔６１ａは、後述するサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を放射温度計２０に導くための円筒状の孔である。貫通孔６１ａは、その貫通方向の軸がサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの主面と交わるように、水平方向に対して傾斜して設けられている。よって、放射温度計２０はサセプタ７４の斜め下方に設けられることとなる。貫通孔６１ａの熱処理空間６５に臨む側の端部には、放射温度計２０が測定可能な波長領域の赤外光を透過させるフッ化バリウム材料からなる透明窓２１が装着されている。

また、チャンバー６の内壁上部には熱処理空間６５に処理ガスを供給するガス供給孔８１が形設されている。ガス供給孔８１は、凹部６２よりも上側位置に形設されており、反射リング６８に設けられていても良い。ガス供給孔８１はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８２を介してガス供給管８３に連通接続されている。ガス供給管８３は処理ガス供給源８５に接続されている。また、ガス供給管８３の経路途中にはバルブ８４が介挿されている。バルブ８４が開放されると、処理ガス供給源８５から緩衝空間８２に処理ガスが送給される。緩衝空間８２に流入した処理ガスは、ガス供給孔８１よりも流体抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れてガス供給孔８１から熱処理空間６５内へと供給される。処理ガスとしては、例えば窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）等の不活性ガス、または、水素（Ｈ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）等の反応性ガス、或いはそれらを混合した混合ガスを用いることができる。

一方、チャンバー６の内壁下部には熱処理空間６５内の気体を排気するガス排気孔８６が形設されている。ガス排気孔８６は、凹部６２よりも下側位置に形設されており、反射リング６９に設けられていても良い。ガス排気孔８６はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８７を介してガス排気管８８に連通接続されている。ガス排気管８８は排気部１９０に接続されている。また、ガス排気管８８の経路途中にはバルブ８９が介挿されている。バルブ８９が開放されると、熱処理空間６５の気体がガス排気孔８６から緩衝空間８７を経てガス排気管８８へと排出される。なお、ガス供給孔８１およびガス排気孔８６は、チャンバー６の周方向に沿って複数設けられていても良いし、スリット状のものであっても良い。

排気部１９０は真空ポンプを備える。バルブ８４を閉止してチャンバー６内にガス供給を行うこと無く、排気部１９０を作動させてチャンバー６内の気体を排気することにより、チャンバー６内を大気圧未満に減圧することができる。また、ガス排気管８８と並列に管径の異なる複数のバイパス管（図示省略）を設け、それらを適宜開閉することによってチャンバー６からの排気速度を調整するようにしても良い。

図２は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。保持部７は、基台リング７１、連結部７２およびサセプタ７４を備えて構成される。基台リング７１、連結部７２およびサセプタ７４はいずれも石英にて形成されている。すなわち、保持部７の全体が石英にて形成されている。

基台リング７１は円環形状から一部が欠落した円弧形状の石英部材である。この欠落部分は、後述する移載機構１０の移載アーム１１と基台リング７１との干渉を防ぐために設けられている。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されることによって、チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図１参照）。基台リング７１の上面に、その円環形状の周方向に沿って複数の連結部７２（本実施形態では４個）が立設される。連結部７２も石英の部材であり、溶接によって基台リング７１に固着される。

サセプタ７４は基台リング７１に設けられた４個の連結部７２によって支持される。図３は、サセプタ７４の平面図である。また、図４は、サセプタ７４の断面図である。サセプタ７４は、保持プレート７５、ガイドリング７６および複数の基板支持ピン７７を備える。保持プレート７５は、石英にて形成された略円形の平板状部材である。保持プレート７５の直径は半導体ウェハーＷの直径よりも大きい。すなわち、保持プレート７５は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。

保持プレート７５の上面周縁部にガイドリング７６が設置されている。ガイドリング７６は、半導体ウェハーＷの直径よりも大きな内径を有する円環形状の部材である。例えば、半導体ウェハーＷの直径がφ３００ｍｍの場合、ガイドリング７６の内径はφ３２０ｍｍである。ガイドリング７６の内周は、保持プレート７５から上方に向けて広くなるようなテーパ面とされている。ガイドリング７６は、保持プレート７５と同様の石英にて形成される。ガイドリング７６は、保持プレート７５の上面に溶着するようにしても良いし、別途加工したピンなどによって保持プレート７５に固定するようにしても良い。或いは、保持プレート７５とガイドリング７６とを一体の部材として加工するようにしても良い。

保持プレート７５の上面のうちガイドリング７６よりも内側の領域が半導体ウェハーＷを保持する平面状の保持面７５ａとされる。保持プレート７５の保持面７５ａには、複数の基板支持ピン７７が立設されている。本実施形態においては、保持面７５ａの外周円（ガイドリング７６の内周円）と同心円の周上に沿って３０°毎に計１２個の基板支持ピン７７が立設されている。１２個の基板支持ピン７７を配置した円の径（対向する基板支持ピン７７間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、半導体ウェハーＷの径がφ３００ｍｍであればφ２７０ｍｍ～φ２８０ｍｍ（本実施形態ではφ２７０ｍｍ）である。それぞれの基板支持ピン７７は石英にて形成されている。複数の基板支持ピン７７は、保持プレート７５の上面に溶接によって設けるようにしても良いし、保持プレート７５と一体に加工するようにしても良い。

図２に戻り、基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプタ７４の保持プレート７５の周縁部とが溶接によって固着される。すなわち、サセプタ７４と基台リング７１とは連結部７２によって固定的に連結されている。このような保持部７の基台リング７１がチャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７がチャンバー６に装着される。保持部７がチャンバー６に装着された状態においては、サセプタ７４の保持プレート７５は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。すなわち、保持プレート７５の保持面７５ａは水平面となる。

チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、チャンバー６に装着された保持部７のサセプタ７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。このとき、半導体ウェハーＷは保持プレート７５上に立設された１２個の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。より厳密には、１２個の基板支持ピン７７の上端部が半導体ウェハーＷの下面に接触して当該半導体ウェハーＷを支持する。１２個の基板支持ピン７７の高さ（基板支持ピン７７の上端から保持プレート７５の保持面７５ａまでの距離）は均一であるため、１２個の基板支持ピン７７によって半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持することができる。

また、半導体ウェハーＷは複数の基板支持ピン７７によって保持プレート７５の保持面７５ａから所定の間隔を隔てて支持されることとなる。基板支持ピン７７の高さよりもガイドリング７６の厚さの方が大きい。従って、複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれはガイドリング７６によって防止される。

また、図２および図３に示すように、サセプタ７４の保持プレート７５には、上下に貫通して開口部７８が形成されている。開口部７８は、放射温度計２０が半導体ウェハーＷの下面から放射される放射光（赤外光）を受光するために設けられている。すなわち、放射温度計２０が開口部７８およびチャンバー側部６１の貫通孔６１ａに装着された透明窓２１を介して半導体ウェハーＷの下面から放射された光を受光して当該半導体ウェハーＷの温度を測定する。さらに、サセプタ７４の保持プレート７５には、後述する移載機構１０のリフトピン１２が半導体ウェハーＷの受け渡しのために貫通する４個の貫通孔７９が穿設されている。

図５は、移載機構１０の平面図である。また、図６は、移載機構１０の側面図である。移載機構１０は、２本の移載アーム１１を備える。移載アーム１１は、概ね円環状の凹部６２に沿うような円弧形状とされている。それぞれの移載アーム１１には２本のリフトピン１２が立設されている。移載アーム１１およびリフトピン１２は石英にて形成されている。各移載アーム１１は水平移動機構１３によって回動可能とされている。水平移動機構１３は、一対の移載アーム１１を保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う移載動作位置（図５の実線位置）と保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平面視で重ならない退避位置（図５の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。水平移動機構１３としては、個別のモータによって各移載アーム１１をそれぞれ回動させるものであっても良いし、リンク機構を用いて１個のモータによって一対の移載アーム１１を連動させて回動させるものであっても良い。

また、一対の移載アーム１１は、昇降機構１４によって水平移動機構１３とともに昇降移動される。昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて上昇させると、計４本のリフトピン１２がサセプタ７４に穿設された貫通孔７９（図２，３参照）を通過し、リフトピン１２の上端がサセプタ７４の上面から突き出る。一方、昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて下降させてリフトピン１２を貫通孔７９から抜き取り、水平移動機構１３が一対の移載アーム１１を開くように移動させると各移載アーム１１が退避位置に移動する。一対の移載アーム１１の退避位置は、保持部７の基台リング７１の直上である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されているため、移載アーム１１の退避位置は凹部６２の内側となる。なお、移載機構１０の駆動部（水平移動機構１３および昇降機構１４）が設けられている部位の近傍にも図示省略の排気機構が設けられており、移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気がチャンバー６の外部に排出されるように構成されている。

図１に戻り、チャンバー６の上方に設けられたフラッシュ加熱部５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、を備えて構成される。また、フラッシュ加熱部５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。フラッシュ加熱部５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状の石英窓である。フラッシュ加熱部５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３が上側チャンバー窓６３と相対向することとなる。フラッシュランプＦＬはチャンバー６の上方からランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３を介して熱処理空間６５にフラッシュ光を照射する。

複数のフラッシュランプＦＬは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。複数のフラッシュランプＦＬが配列される領域は半導体ウェハーＷの平面サイズよりも大きい。

キセノンフラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設された円筒形状のガラス管（放電管）と、該ガラス管の外周面上に付設されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。このようなキセノンフラッシュランプＦＬにおいては、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンドないし１００ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、ハロゲンランプＨＬの如き連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。すなわち、フラッシュランプＦＬは、１秒未満の極めて短い時間で瞬間的に発光するパルス発光ランプである。なお、フラッシュランプＦＬの発光時間は、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源のコイル定数によって調整することができる。

また、リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光を熱処理空間６５の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されている。

チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４は、筐体４１の内側に複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを内蔵している。ハロゲン加熱部４は、複数のハロゲンランプＨＬによってチャンバー６の下方から下側チャンバー窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する。

図７は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。４０本のハロゲンランプＨＬは上下２段に分けて配置されている。保持部７に近い上段に２０本のハロゲンランプＨＬが配設されるとともに、上段よりも保持部７から遠い下段にも２０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。各ハロゲンランプＨＬは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに２０本のハロゲンランプＨＬは、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように配列されている。よって、上段、下段ともにハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面は水平面である。

また、図７に示すように、上段、下段ともに保持部７に保持される半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域におけるハロゲンランプＨＬの配設密度が高くなっている。すなわち、上下段ともに、ランプ配列の中央部よりも周縁部の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、ハロゲン加熱部４からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。

また、上段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群と下段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向と下段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向とが互いに直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。

ハロゲンランプＨＬは、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管の内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素（ヨウ素、臭素等）を微量導入した気体が封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプＨＬは、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特性を有する。すなわち、ハロゲンランプＨＬは少なくとも１秒以上連続して発光する連続点灯ランプである。また、ハロゲンランプＨＬは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプＨＬを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウェハーＷへの放射効率が優れたものとなる。

また、ハロゲン加熱部４の筐体４１内にも、２段のハロゲンランプＨＬの下側にリフレクタ４３が設けられている（図１）。リフレクタ４３は、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光を熱処理空間６５の側に反射する。

制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行う回路であるＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えている。制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって熱処理装置１における処理が進行する。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから発生する熱エネルギーによるハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲン加熱部４およびフラッシュ加熱部５は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓６３とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部５および上側チャンバー窓６３を冷却する。

次に、本発明に係る金属配線形成方法の処理手順について説明する。図８は、本発明に係る金属配線形成方法の処理手順を示すフローチャートである。まず、半導体ウェハーＷの上面にコバルト（Ｃｏ）を堆積する（ステップＳ１）。図９は、半導体ウェハーＷにコバルトが堆積された状態の一例を示す図である。

シリコン（Ｓｉ）の基材１０１の上にゲート絶縁膜１０２を挟んでゲート電極１０３が形成されている。ゲート絶縁膜１０２はＨｆＯ_２等の高誘電率材料を用いた高誘電率膜(high-k膜)であっても良いし、ゲート電極１０３はＴｉＮ等を用いたメタルゲート電極であっても良い。シリコンの基材１０１には不純物が注入されたソース領域１０４およびドレイン領域１０５が形成されている。なお、ゲート電極１０３の側方にＳｉＮのサイドウォールが形成されていても良い。

基材１０１の上面には、ソース領域１０４、ドレイン領域１０５およびゲート電極１０３等を備えた素子を覆うように二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の絶縁膜１１０が成膜されている。絶縁膜１１０にはソース領域１０４等の電極を絶縁膜１１０上に引き上げるためのコンタクトホール１１２が設けられる。このコンタクトホール１１２にコバルトが堆積されて埋め込まれ、コバルトの金属配線１１５が形設される。本実施形態のコバルトの金属配線１１５は、ソース領域１０４等の電極と上方の金属層（例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）にて形成される）とを接続するためコバルトプラグである。コバルトは、抵抗率が低いため、プラグ材料として好適である。なお、図９の例では、ソース領域１０４にコバルトの金属配線１１５が接続されているが、ドレイン領域１０５およびゲート電極１０３に金属配線１１５が接続されていても良い。

コバルトは、ＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)またはＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)によって堆積される。例えば、コンタクトホール１１２内にＡＬＤによって薄くコバルトを堆積させた後に、ＣＶＤによってコバルトを埋め込むようにしても良い。堆積手法によらず、コバルトを堆積したままの金属配線１１５は密度が低くて脆い。また、堆積時には金属配線１１５中にＯ，Ｎ，Ｆ等の不純物が混入している。従って、堆積したままの金属配線１１５をそのまま使用することはできず（エレクトロマイグレーション等の特性劣化が生じる）、熱処理装置１によって金属配線１１５に堆積後熱処理を施すのである。以下、熱処理装置１における処理手順について説明を続ける。熱処理装置１における処理は、制御部３が熱処理装置１の各動作機構を制御することにより進行する。

図８に戻って、コバルトの金属配線１１５が形成された半導体ウェハーＷが熱処理装置１のチャンバー６内に搬入される（ステップＳ２）。半導体ウェハーＷの搬入時には、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介して処理対象となる半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される。この際に、半導体ウェハーＷの搬入にともなって装置外部の雰囲気をチャンバー６内に巻き込むおそれがある。そこで、バルブ８４を開放して処理ガス供給源８５からチャンバー６内に窒素ガスを供給し続けることによって搬送開口部６６から窒素ガス流を流出させ、装置外部の雰囲気がチャンバー６内の流入するのを最小限に抑制するようにしても良い。

搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構１０の一対の移載アーム１１が退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が貫通孔７９を通ってサセプタ７４の保持プレート７５の上面から突き出て半導体ウェハーＷを受け取る。このとき、リフトピン１２は基板支持ピン７７の上端よりも上方にまで上昇する。

半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間６５から退出し、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖される。そして、一対の移載アーム１１が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載機構１０から保持部７のサセプタ７４に受け渡されて水平姿勢にて下方より保持される。半導体ウェハーＷは、保持プレート７５上に立設された複数の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。また、半導体ウェハーＷは、金属配線１１５が形成された表面を上面として保持部７に保持される。複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）と保持プレート７５の保持面７５ａとの間には所定の間隔が形成される。サセプタ７４の下方にまで下降した一対の移載アーム１１は水平移動機構１３によって退避位置、すなわち凹部６２の内側に退避する。

半導体ウェハーＷがチャンバー６に収容され、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖された後、チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧に減圧する（ステップＳ３）。具体的には、搬送開口部６６が閉鎖されることによって、チャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間となる。この状態にて、給気のためのバルブ８４を閉止するとともに、排気部１９０を作動させつつ排気のためのバルブ８９を開放する。これにより、チャンバー６内に対してはガス供給が行われることなく排気が行われることとなり、チャンバー６内の熱処理空間６５が大気圧未満に減圧される。

図１０は、チャンバー６内の圧力変化を示す図である。同図の横軸には時刻を示し、縦軸にはチャンバー６内の圧力を示す。半導体ウェハーＷがチャンバー６に収容されて搬送開口部６６が閉鎖された時点では、チャンバー６内の圧力は大気圧Ｐｓ（＝約101325Pa）である。そして、時刻ｔ１にチャンバー６内の減圧が開始され、時刻ｔ２にチャンバー６の圧力（真空度）が気圧Ｐ１に到達する。気圧Ｐ１は、例えば約１００Ｐａである。チャンバー６内を減圧する際に、排気流量を２段階に切り替えて排気速度を変化させるようにしても良い。例えば、減圧の初期段階では比較的遅い排気速度とした後に、排気速度を高めるようにしても良い。このようにすることより、チャンバー６内にパーティクルを巻き上げることなく、迅速にチャンバー６内を減圧することができる。

チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ１に到達した時刻ｔ２に、排気のためのバルブ８９を閉止して給気のためのバルブ８４を開放し、処理ガス供給源８５からチャンバー６内の熱処理空間６５にフォーミングガスを供給する（ステップＳ４）。フォーミングガスとは、水素（Ｈ_２）と窒素（Ｎ_２）との混合ガスである。すなわち、フォーミングガスは、水素を含む還元性ガスである。チャンバー６内にフォーミングガスが供給されることによって、チャンバー６内の半導体ウェハーＷの周辺には還元雰囲気が形成される。供給するフォーミングガス中における水素の濃度（つまり、水素と窒素との混合比）は、特に限定されるものではなく適宜の値とすることができるが、例えば４vol.％である。なお、チャンバー６にフォーミングガスを供給している間も、小流量（フォーミングガスの供給流量未満）にてチャンバー６からの排気を行うようにしても良い。

チャンバー６内にフォーミングガスが供給されることによって、チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ１から上昇して時刻ｔ３に気圧Ｐ２に復圧する。気圧Ｐ２は、気圧Ｐ１より高く、かつ、大気圧Ｐｓよりも低く、例えば約５０００Ｐａである。チャンバー６内を一旦気圧Ｐ１にまで減圧してから気圧Ｐ２に復圧しているため、気圧Ｐ２に復圧後のチャンバー６内の還元雰囲気中における酸素濃度を約２００ｐｐｂ以下とすることができる。

チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ２に復圧した時刻ｔ３以降は、チャンバー６に対するフォーミングガスの供給流量とチャンバー６からの排気流量とを等しくしてチャンバー６内の圧力を気圧Ｐ２に維持する。

図１１は、半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ２に到達した時点以降の時刻ｔ４に、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して半導体ウェハーＷの予備加熱（アシスト加熱）が開始される（ステップＳ５）。ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された下側チャンバー窓６４およびサセプタ７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面から照射される。ハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによって半導体ウェハーＷが予備加熱されて温度が上昇する。なお、移載機構１０の移載アーム１１は凹部６２の内側に退避しているため、ハロゲンランプＨＬによる加熱の障害となることは無い。

ハロゲンランプＨＬからの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度は放射温度計２０によって測定される。測定された半導体ウェハーＷの温度は制御部３に伝達される。制御部３は、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度が所定の予備加熱温度Ｔ１に到達したか否かを監視しつつ、ハロゲンランプＨＬの出力を制御する。すなわち、制御部３は、放射温度計２０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１となるようにハロゲンランプＨＬの出力をフィードバック制御する。予備加熱温度Ｔ１は４５０℃以上６００℃以下であり、本実施形態では５５０℃である。

半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後、制御部３は半導体ウェハーＷをその予備加熱温度Ｔ１に暫時維持する。具体的には、放射温度計２０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した時刻ｔ５に制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を調整し、半導体ウェハーＷの温度をほぼ予備加熱温度Ｔ１に維持している。

このようなハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うことによって、金属配線１１５を含む半導体ウェハーＷの全体を予備加熱温度Ｔ１に均一に昇温している。ハロゲンランプＨＬによる予備加熱の段階においては、より放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部の温度が中央部よりも低下する傾向にあるが、ハロゲン加熱部４におけるハロゲンランプＨＬの配設密度は、半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域の方が高くなっている。このため、放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部に照射される光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一なものとすることができる。

半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達して所定時間が経過した時刻ｔ６にフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬがサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光照射を行う（ステップＳ６）。このとき、フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光の一部は直接にチャンバー６内へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ５２により反射されてからチャンバー６内へと向かい、これらのフラッシュ光の照射により半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われる。

フラッシュ加熱は、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光（閃光）照射により行われるため、半導体ウェハーＷの表面温度を短時間で上昇することができる。すなわち、フラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度の極めて短く強い閃光である。コバルトの金属配線１１５が形設された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射することによって、金属配線１１５を含む半導体ウェハーＷの表面は瞬間的に処理温度Ｔ２にまで昇温して金属配線１１５の堆積後熱処理が実行される。フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面が到達する最高温度（ピーク温度）である処理温度Ｔ２は例えば９００℃である。半導体ウェハーＷの表面温度はフラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射によって瞬間的に処理温度Ｔ２にまで上昇した後、急速に降温する。

半導体ウェハーＷの予備加熱およびフラッシュ加熱は、チャンバー６内が還元雰囲気かつ減圧下で実行される。まず、半導体ウェハーＷが予備加熱されてからさらにフラッシュ加熱されることにより、金属配線１１５が処理温度Ｔ２にまで加熱され、金属配線１１５を構成するコバルトの結晶粒が粒成長してその粒径が大きくなる。金属配線１１５中の結晶粒が粒成長して粗大化することにより、金属配線１１５の抵抗率が下がる。

また、フラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光の照射時間は０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度の極めて短時間である。よって、金属配線１１５が処理温度Ｔ２にまで昇温されている時間は極めて短く、チャンバー６内の雰囲気から酸素等の不純物元素が金属配線１１５に侵入することは最小限に抑制される。その結果、金属配線１１５の抵抗率の上昇を抑制することができる。

また、減圧下で加熱処理が実行されるため、そもそもチャンバー６内に存在している酸素等の不純物元素の絶対量が少ない。このため、加熱処理時にチャンバー６内の雰囲気から不純物元素が金属配線１１５に侵入することがより効果的に防止される。

また、還元雰囲気中にて金属配線１１５の加熱処理が実行されるため、堆積時に金属配線１１５中に混入した酸素等の不純物を還元することができる。これにより、金属配線１１５の抵抗率をより低下させることができる。

さらに、金属配線１１５が予備加熱およびフラッシュ加熱されることによって、金属配線１１５が高密度化するとともに、堆積時に金属配線１１５中に混入した不純物を脱離させることができる。堆積時に金属配線１１５中に混入した不純物のうち酸素は、上述のようにフォーミングガス中の水素によって還元されて除去される。その一方、不純物のうち窒素やフッ素は、熱処理時の外方拡散によって脱離することとなる。

半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射した後、給気のためのバルブ８４を閉止してチャンバー６内を再び減圧する。チャンバー６内を再び気圧Ｐ１にまで減圧することによって、チャンバー６内の熱処理空間６５からフォーミングガスを排出することができる。続いて、チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ１にまで減圧された時刻ｔ７に排気のためのバルブ８９を閉止して給気のためのバルブ８４を開放し、処理ガス供給源８５からチャンバー６内に窒素ガスを供給して大気圧Ｐｓにまで復圧する。

また、フラッシュ光照射が終了した後、ハロゲンランプＨＬも消灯する。これにより、半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１からも急速に降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は放射温度計２０によって測定され、その測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、放射温度計２０の測定結果より半導体ウェハーＷの温度が搬出可能温度以下にまで降温したか否かを監視する（ステップＳ７）。搬出可能温度は、例えば４００℃である。

時刻ｔ８に半導体ウェハーＷの温度が４００℃以下にまで降温したことが制御部３によって確認された後、半導体ウェハーＷがチャンバー６から搬出される（ステップＳ８）。半導体ウェハーＷの搬出時には、移載機構１０の一対の移載アーム１１が再び退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２がサセプタ７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷをサセプタ７４から受け取る。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、リフトピン１２上に載置された半導体ウェハーＷが装置外部の搬送ロボットによりチャンバー６から搬出される。これにより、熱処理装置１における金属配線１１５の堆積後熱処理が完了する。

本実施形態においては、コバルトを堆積して形成された金属配線１１５に予備加熱およびフラッシュ加熱を施すことによって、金属配線１１５を構成するコバルトの結晶粒を粒成長させてその粒径を大きくしている。金属配線１１５を構成するコバルトの結晶粒を粗大化させることにより、金属配線１１５を低抵抗化することができる。

また、照射時間の極めて短いフラッシュ光を照射することによってコバルトの金属配線１１５を瞬間的に加熱しているため、加熱処理時にチャンバー６内の雰囲気から酸素等の不純物元素が金属配線１１５に侵入することは最小限に抑制される。これにより、金属配線１１５の抵抗率が上昇するのを防止することができる。

また、水素を含む還元雰囲気中にて金属配線１１５の加熱処理を行っているため、金属配線１１５中に混入している不純物を還元して除去することができる。これにより、金属配線１１５をさらに低抵抗化することができる。

また、減圧雰囲気中にて金属配線１１５の加熱処理を行っているため、加熱処理時に酸素等の不純物元素が金属配線１１５に侵入することはより効果的に防止される。これにより、金属配線１１５をさらに低抵抗化することができる。

また、本実施形態においては、半導体ウェハーＷの温度が４００℃以下にまで降温してから半導体ウェハーＷをチャンバー６から搬出している。一般的には、チャンバー６の外部の雰囲気における酸素濃度はチャンバー６内の酸素濃度よりも高い。よって、高温の半導体ウェハーＷをチャンバー６から搬出すると、金属配線１１５が酸化されるおそれがある。半導体ウェハーＷの温度が４００℃以下にまで降温してから半導体ウェハーＷをチャンバー６から搬出するようにすれば、搬出後の金属配線１１５の酸化を抑制して金属配線１１５の抵抗率が上昇するのを防止することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、チャンバー６内にフォーミングガスを供給して還元雰囲気を形成していたが、これに限定されるものではなく、アルゴン（Ａｒ）と水素との混合ガスまたはヘリウム（Ｈｅ）と水素との混合ガスを供給して還元雰囲気を形成するようにしても良い。双方ともに水素を含む還元性ガスである。アルゴンと水素との混合ガスまたはヘリウムと水素の混合ガスであれば、チャンバー６内雰囲気から金属配線１１５にガス元素が侵入するのをより効果的に防止することができる。特に、ヘリウムと水素との混合ガスを使用した場合には、ヘリウムの冷却効果によって加熱処理後の半導体ウェハーＷを迅速に冷却することができる。また、チャンバー６内に供給するガスは質量が大きく不活性なアルゴン単独であっても良いし、アンモニア（ＮＨ_３）であっても良い。不活性なアルゴンであれば、金属中に侵入したとしてもイオン化の悪影響を防ぐことができる。

また、上記実施形態においては、金属配線１１５の材料はコバルトであったが、これに限定されるものではなく、金属配線１１５はタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）または銅（Ｃｕ）の配線であっても良い。これらの金属材料からなる配線であっても、上記実施形態と同様の熱処理を行うことにより、金属配線を低抵抗化することができる。

また、上記実施形態においては、フラッシュ加熱部５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。また、ハロゲン加熱部４に備えるハロゲンランプＨＬの本数も４０本に限定されるものではなく、任意の数とすることができる。

また、上記実施形態においては、１秒以上連続して発光する連続点灯ランプとしてフィラメント方式のハロゲンランプＨＬを用いて半導体ウェハーＷの予備加熱を行っていたが、これに限定されるものではなく、ハロゲンランプＨＬに代えて放電型のアークランプ（例えば、キセノンアークランプ）を連続点灯ランプとして用いて予備加熱を行うようにしても良い。

１ 熱処理装置
３ 制御部
４ ハロゲン加熱部
５ フラッシュ加熱部
６ チャンバー
７ 保持部
１０ 移載機構
２０ 放射温度計
６５ 熱処理空間
７４ サセプタ
１０１ 基材
１０２ ゲート絶縁膜
１０３ ゲート電極
１０４ ソース領域
１０５ ドレイン領域
１１０ 絶縁膜
１１２ コンタクトホール
１１５ 金属配線
ＦＬ フラッシュランプ
ＨＬ ハロゲンランプ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (6)

1. 基板上に金属配線を形成する金属配線形成方法であって、
   基板上に金属を金属配線として堆積させる堆積工程と、
   前記基板をチャンバー内に収容する収容工程と、
   前記チャンバー内に還元性ガスを供給して還元雰囲気を形成する雰囲気形成工程と、
   フラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射して前記金属配線を加熱する加熱工程と、
   を備えることを特徴とする金属配線形成方法。
2. 請求項１記載の金属配線形成方法において、
   前記雰囲気形成工程の前に、前記チャンバー内を大気圧よりも低い圧力に減圧する減圧工程をさらに備え、
   前記加熱工程は、大気圧よりも低い圧力にて実行することを特徴とする金属配線形成方法。
3. 請求項１または請求項２記載の金属配線形成方法において、
   前記加熱工程の後に、前記基板が４００℃以下にまで降温してから前記基板を前記チャンバーから搬出する搬出工程をさらに備えることを特徴とする金属配線形成方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の金属配線形成方法において、
   前記加熱工程の前に、前記基板を所定温度に予備加熱する予備加熱工程をさらに備えることを特徴とする金属配線形成方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の金属配線形成方法において、
   前記還元性ガスは、水素を含むことを特徴とする金属配線形成方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の金属配線形成方法において、
   前記金属はコバルト、タングステン、モリブデン、チタン、クロムおよび銅からなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする金属配線形成方法。

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