JP3445148B2 - 被処理基板の高温高圧処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被処理基板の高温
高圧処理装置に係り、Ｓｉウェーハに代表されるＵＬＳ
Ｉ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。

【０００２】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。

【０００３】

【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）。

【０００４】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、特表平７−５０２３７６号公報に示すようなもの
が提案されている。

【０００５】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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述の高圧酸化装置
（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、圧力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】更に、近年、配線膜材料として、従来のＡ
ｌに代替して銅が、低電気抵抗あるいは対ＥＭ性（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎ 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で搬送する
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も配慮されていない。

【０００８】本発明の目的は、Ｓｉや化合物半導体のウ
ェーハ（被処理基板）を、高温高圧の不活性ガス雰囲気
で処理するときに発生する前述した種々の問題点を解消
した高温高圧処理装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、金属材料より
なる配線膜を成膜処理された被処理基板を圧力容器内部
の処理室に装入して高温高圧のガス雰囲気下で加圧処理
する被処理基板の高温高圧処理装置において、被処理基
板をバッチ処理する場合の問題である大気搬送に伴う酸
化膜の生成を、還元処理することによって解消したので
ある。すなわち、請求項１に係る本発明は、ガス雰囲気
下で加圧処理する前に、被処理基板の表面に形成された
酸化被膜を還元する還元ガスによる還元炉からなる還元
ステーションと、還元された被処理基板を前記処理室に
てガス雰囲気下で加圧処理するガス炉からなる加圧ステ
ーションとを気密性の筺体に収容して備えていることを
特徴とするものである。

【００１０】そして、本発明は、被処理基板の多数枚を
棚板状にセットする支持治具を備え、該支持治具を介し
て還元ステーションの還元炉および加圧ステーションの
ガス炉に多数枚の被処理基板を棚板状にセットした状態
で出入自在とし、前記還元炉およびガス炉の下蓋は共用
されており、該下蓋上に被処理基板の多数枚を棚板状に
セットする支持治具が配置されて、還元炉およびガス炉
の下方から多数枚の被処理基板を出入自在としているこ
とを特徴とするものである。

【００１１】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
て注目される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る。

【００１２】更に、請求項２に係る本発明は、請求項１
において、被処理基板の多数枚を棚板状にセットする支
持具を、少なくとも処理室において取り囲むケーシング
を備えていることを特徴とするものであり、このような
構成にすることで、処理室内の加熱要素（ヒータ）等か
らのコンタミネーションを防止できる。

【００１３】更に、請求項３に係る本発明は、請求項１
において、前記筐体には、該筐体内に保護ガスをフロー
するためのガス流入口とガス流出口が設けられているこ
とを特徴とするものである。

【００１４】また、請求項４に係る本発明は、請求項１
〜３のいずれか１項に記載の高温高圧処理装置におい
て、下蓋、この下蓋上に配置した炉床、この炉床上に備
えられていて被処理基板を棚板状に収容している支持治
具および下蓋昇降旋回装置とを一組として備え、該組の
少なくとも２組の下蓋昇降旋回装置が個別動作可能とし
て配置されていることを特徴とするものである。

【００１５】このような構成を採用することにより、１
バッチの被処理基板を加圧処理しているときに、同時併
行して次のバッチ（ロット）の被処理基板における酸化
被膜を還元処理することで生産性を高め得るのである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る被処理基板の高温高圧処理装置の実施の形態とその作
用を説明する。図１〜図５は、本発明に係る被処理基板
の高温高圧処理装置の実施の形態を示している。被処理
基板１は、Ｓｉウェーハ等の半導体基板であって、銅
（純銅、銅合金を含む）、アルミ（合金を含む）、銀等
の金属材料よりなる配線膜をスパッタリング、メッキ等
の手段によって成膜処理されたものである。ストック手
段２と、ガス雰囲気下で加圧処理する前に被処理基板１
の表面に形成された酸化皮膜を還元する還元ガスによる
還元ステーションＳ１と、還元された被処理基板１を圧
力容器３の処理室４にてガス雰囲気下で加圧処理する加
圧ステーションＳ２とを備えており、これらは、気密性
の筐体６内に収納されている。筐体６には、該筐体６内
に保護ガスをフローするためのガス流入口２９とガス流
出口３０が設けられている。

【００１７】還元ステーションＳ１は、電気抵抗線加熱
方式のヒータ３２を組み込んでいる還元炉３３で構成さ
れており、該炉３３は水素等の還元ガスを弁３４Ａの開
閉動作で供給する配管部材３４Ｃが接続されている。加
圧ステーションの構成についても、以下、詳説する。ま
ず、架台８には円筒形の圧力円筒１２が立設固定されて
おり、該円筒１２の上・下開口部は上蓋１３および下蓋
１４で閉塞されていて内部に処理室４を画成した圧力容
器３とされている。上蓋１３には高圧ガス注入・排出孔
１３Ａおよび真空引き用孔１３Ｂが形成されている。

【００１８】図１および図２において示されているよう
に、ガス注入・排出孔１３Ａには、往復動型の増圧機で
示すコンプレッサ３４を介してガス集合装置３５に接続
されており、バイパス回路３６を介してガス回収装置３
７が各種開閉弁を介して接続されているとともに真空引
き孔１３Ｂには真空ポンプ３８が接続されている。

【００１９】上・下蓋１３，１４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プレスフレーム１５が
係脱自在であり、図１及び図２では該プレスフレーム１
５はレール１６上を走行（摺動）する台車型を示してい
るが揺動扉型等であっても良い。

【００２０】図４で示すように、処理室４には、倒立コ
ップ形状の断熱構造体１７が上蓋１３に吊持又は下蓋１
４に載置支持されており、該断熱構造体１７の下部には
孔１３Ａから注入された圧力媒体（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１７の内周側には上・下２段とした加熱要素としての
ヒータ１８が備えられていることで高温高圧ガス炉を構
成している。

【００２１】ヒータ１８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１８に独立
して電力を供給するようにされている。下蓋１４には、
炉床１９が載置され、該炉床１９を介して被処理基板１
が備えられているとともに、該被処理基板１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２０で取り囲まれてお
り、下蓋１４を油圧シリンダで例示するリフタ装置２１
によって昇降動作することによって、被処理基板１、炉
床１９およびケーシング２０がともに（一体として）炉
内の処理室４に出入り自在とされている。なお、圧力容
器３の下蓋（下下蓋を含む）１４は、還元炉３３の下蓋
と共用化されており、還元炉３３にも下方から出入自在
とされている。

【００２２】被処理基板１は、図４で示すように支持治
具２２に棚板状としてセットされており、該支持治具２
２は上・下端板２２Ａ，２２Ｂと両板を連結していて保
持ピン２２Ｃを有する棒材２２Ｄとで構成されていて、
これらの耐熱材料によって製作されたカセット構造の支
持治具２２を構成しており、この支持治具２２をケーシ
ング２０が実質的に取り囲んでおり、該ケーシング２０
の下部にはガス通行２０Ａが形成されており、該ケーシ
ング２０を備えることでヒータ１８等からのコンタミネ
ーションを防止している。

【００２３】図５に示した圧力容器３は、下蓋１４を圧
力円筒１２の下端に固着した円環形の下上蓋１４Ａとこ
の下上蓋１４Ａに挿脱自在に嵌挿されている下下蓋１４
Ｂとによる分割蓋として構成しており、下下蓋１４Ｂ上
に円筒形の処理台（炉床に相当する）２３が配置され、
この処理台２３上に被処理基板１を棚板状にセットした
支持治具２２が配置され、この支持治具２２を取り囲む
ケーシング２０は断熱構造体１７の下部に固着した円環
形の支持板２４に載置されている。

【００２４】従って、図５にした圧力容器３の処理室４
にはケーシング２０を処理室４に残した状態で支持治具
２２は処理台２３とともに下下蓋１４Ｂの昇降動作で処
理室４に下方から出入自在とされている。なお、図５に
おいて、処理台２３内には断熱材２４Ａが収容されてい
て過昇温を防止しているとともに、断熱構造体１７の下
部に形成した通孔１７Ａ、ケーシング２０に形成した通
孔２０Ａ、処理台２３に形成した通孔２３Ａがそれぞれ
形成されることによって圧力容器３内部の比較的低温部
分の内外で圧力差が発生しないようにされている。

【００２５】図４および図５に示した支持治具２２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。

【００２６】また、図５に示した支持治具２２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２２の最上
部に酸素ゲッタ部材２５をおくことも推奨される。図５
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２５Ａ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部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。

【００２７】また、この支持治具２２の下部、処理台２
３の上端部近傍にも通孔２６Ａを有する酸素ゲッタ部材
２６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、本実施例により、前記支持治
具２２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２５，２６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。

【００２８】これらのゲッタ部材の配置により、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。な
お、図４および図５において図示していないが、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。

【００２９】下蓋昇降旋回装置２１は２組が配置されて
いて一方の下蓋昇降旋回装置２１が還元炉３３内にて加
圧処理の前工程で被処理基板１を支持治具２２を介して
挿入して酸化皮膜を水素等で還元処理しているとき、他
方の下蓋昇降旋回装置２１はガス炉において還元処理さ
れた被処理基板１を支持治具２２に棚板状にセットして
高温・高圧のガス雰囲気下で加圧処理するようにされて
いる。

【００３０】移載装置２８は、ストック手段２上のカセ
ットに収納されている被処理基板１を、下蓋１４上の支
持治具２２に１枚づつ棚板状にセット可能であり、この
ため、昇降動作するとともに旋回動作可能とされてい
る。

【００３１】さらに、筐体６内のストック手段２に隣接
してドア１１を介してロードポートが設けられるが、図
示省略している。図１〜図５に示す装置の一連の動作を
概説すると、図１において、樹脂製のカセットに収納さ
れた成膜処理後のウェーハ（被処理基板）１が図左のド
ア１１を介してストッカステーション（ストック手段）
２にセットされる。このストッカステーション（ストッ
ク手段）２には、処理するカセットがウェーハ搬送用ロ
ボット（移載装置）２８がウェーハを受取りに来る位置
に来るようなカセットの移動機構（図示せず）が設けら
れており、処理直前のカセットがロボットのアクセス位
置に置かれる。ウェーハ搬送用ロボット２８は、このカ
セットから、１枚ずつもしくは数枚ずつこの樹脂製のカ
セットからウェーハを抜取り、還元処理ステーションＳ
１の直下に引出された下蓋１４の上の高温用ウェーハカ
セット（支持治具）２２にウェーハをセットする。セッ
ト後、高温用ウェーハカセットは下蓋１４とともに下蓋
昇降旋回装置２１により、還元炉３３内に装入される。
筐体６内部が不活性ガスで充填されている場合には、引
続き水素ガスを還元炉３３内に導入するとともに、３５
０〜４００℃の温度に昇温される。ここで、還元処理に
先立ち、真空排気系（図示せず）により還元炉３３内を
真空引きすることもコンタミネーション低減のために実
施しても良い。所定の時間保持して還元処理を行った
後、反応等の問題がない温度まで降温して、下蓋１４が
下方に引きおろされる。ついで、この高温用ウェーハカ
セットが載置された下蓋１４は加圧ステーションＳ２の
直下に回転運動により移動される。下蓋昇降旋回装置２
１により下蓋１４を圧力容器３の下側開口部に装入した
後、プレスフレーム１５を圧力容器３の中央部を保持す
るようにスライドさせる。アルゴンガス集合装置３５か
ら、コンプレッサ３４を起動して高圧のアルゴンガスを
供給し、同時若しくはその後、圧力容器３内のヒータ１
８に通電して昇温し、所定の温度圧力で保持を行うこと
によって、銅配線膜の下に残存する気孔が圧潰される。
保持後、降温し、さらに圧力を下げて大気圧として、下
蓋１４を開放して、カセットに入ったウェーハを回収す
る。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜４に係
る本発明によれば、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処理を行うに際して
の、大きな課題、すなわち酸素や水素ガス状のコンタミ
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す全体構成立面図で還元
炉に装入する前を示している。

【図２】図１において還元炉に装入して還元処理中の立
面図である。

【図３】図１および図２の平面図である。

【図４】加圧処理を行うガス炉の第１例を示す断面図で
ある。

【図５】加圧処理を行うガス炉の第２例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 被処理基板 ２ ストック手段 ３ 圧力容器 ４ 処理室 ５ 搬送手段 ６ 筐体 １３ 上蓋 １４ 下蓋 ２１ 下蓋昇降旋回装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (56)参考文献 特開 平10−92820（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−330424（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−288937（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−70028（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−234119（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−130925（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−289173（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−110724（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3205 H01L 21/31 H01L 21/324 H01L 21/68

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属材料よりなる配線膜を成膜処理され
   た被処理基板を圧力容器内部の処理室に装入して高温高
   圧のガス雰囲気下で加圧処理する被処理基板の高温高圧
   処理装置において、 ガス雰囲気下で加圧処理する前に、被処理基板の表面に
   形成された酸化被膜を還元する還元ガスによる還元炉か
   らなる還元ステーションと、還元された被処理基板を前
   記処理室にてガス雰囲気下で加圧処理するガス炉からな
   る加圧ステーションとを気密性の筺体に収容して備え、 前記還元炉およびガス炉の下蓋は共用されており、該下
   蓋上に被処理基板の多数枚を棚板状にセットする支持治
   具を備え、該支持治具を介して前記還元炉およびガス炉
   に多数枚の被処理基板を棚板状にセットした状態で該還
   元炉およびガス炉の下方から出入自在とする ことを特徴
   とする被処理基板の高温高圧処理装置。
2. 【請求項２】 被処理基板の多数枚を棚板状にセットす
   る支持具を、少なくとも処理室において取り囲むケーシ
   ングを備えていることを特徴とする請求項１に記載の被
   処理基板の高温高圧処理装置。
3. 【請求項３】 前記筐体には、該筐体内に保護ガスをフ
   ローするためのガス流入口とガス流出口が設けられてい
   ることを特徴とする請求項１に記載の被処理基板の高温
   高圧処理装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の高
   温高圧処理装置において、 下蓋、この下蓋上に配置した炉床、この炉床上に備えら
   れていて被処理基板を棚板状に収容している支持治具お
   よび下蓋昇降旋回装置とを一組として備え、該組の少な
   くとも２組の下蓋昇降旋回装置が個別動作可能として配
   置されていることを特徴とする被処理基板の高温高圧処
   理装置。