JP4361762B2 - Heat treatment method - Google Patents

Description

ここで、誤差関数ｅｒｆは２次関数で近似でき、Ｔｉは室温であり無視することができる。これにより上記式は以下のようになる。
【００３１】
【数２】

対象となる材料構造、各物性値、及びヒートフラックスの値を上式に与えて計算すると、個体表面から各位置での温度Ｔ（δ，ｔ）を計算することができる。
【００３２】
上記温度計算の一例として、シリコン基板（Ｓｉ）上に例えばＶ３Ｄ３膜が形成された層構造に炭酸ガスレーザを照射して加熱した際の層構造中の温度上昇を計算により求めた。図１はその結果を示すグラフである。シリコン基板の厚みは７５０μｍとし、Ｖ３Ｄ３膜の厚みは１００ｎｍとした。
【００３３】
図１のグラフ中、Ｔ（０，ｔ）はＶ３Ｄ３膜の表面の温度であり、Ｔ（４０，ｔ）、Ｔ（８０，ｔ）、Ｔ（１２０，ｔ）、Ｔ（１６００，ｔ）は、夫々表面から４０ｎｍ、８０ｎｍ、１２０ｎｍ、１６００ｎｍの位置での温度を表す。したがって、Ｔ（４０，ｔ）及びＴ（８０、ｔ）、はＶ３Ｄ３膜中の温度であり、Ｔ（１２０，ｔ）は境界部分付近のシリコン基板の温度を示し、Ｔ（１６００，ｔ）は、境界から離れた部分のＶ３Ｄ３膜中の温度を示す。
【００３４】
図１のグラフより、レーザの照射時間が５０秒を超えた付近でＶ３Ｄ３層の全体がそのガラス転移点温度（例えば３００℃，４００℃）を超えた直後に温度が急激に低下することがわかる。一方、シリコン基板の温度を表すＴ（１６００，ｔ）は、室温からほとんど変化しないことがわかる。したがって、図２に示す例では、下地のシリコン基板を室温に保ったまま、表面のＶ３Ｄ３層のみを選択的に加熱し溶融することができることがわかる。
【００３５】
ここで、対象材料の溶融時間は、輻射の性質と、材料の吸収係数αと膜厚ｄとを考慮して、半無限物体の非定常熱伝導に基づいて計算することができる。
【００３６】
輻射の性質において、透過率をＴ（無次元数）、反射率をＲ（無次元数）、吸収率をＡｂｓ（無次元数）とすると、Ｔ＝［（１−Ｒ）^２＊ｅｘｐ（−αｄ）］／［１−Ｒ^２＊ｅｘｐ（−２αｄ）］であり、且つＲ＝［（ｎ−１）^２＋ｋ^２］／［（ｎ＋１）^２＋ｋ^２］である。ここで、ｋは材料の消衰係数である。そして、Ｔ，Ｒ，Ａｂｓの間には、Ａｂｓ＝１−Ｔ−Ｒという関係が成り立つ。
【００３７】
半無限物体の非定常熱伝導に基づいて、対象材料の表面の温度Ｔ（０、ｔ）を求めると、単位面積当たりの熱流束をＦ・Ａｂｓとして、以下のようになる。
【００３８】
【数３】

これより表面温度が融点に達する時間ｔｍを求めると以下のようになる。ここで、Ｔｄは材料の熱拡散定数［ｃｍ^２／ｓｅｃ］である。
【００３９】
【数４】

また、表面融解から底面融解までの時間Ｔｂｔを、半無限物体における１次熱伝導方程式において表面エネルギ保存法則を適用すると、Ｔｂｔ＝ｄρΔＨ／０．１６Ｆ・Ａｂｓで表わすことができる。ここで、ρは対象材料の密度であり、ΔＨは溶融潜熱である。
【００４０】
上述のように、対象材料の膜が溶融するまでの時間ｔは、ｔ＝ｔｍ＋ｔｂｔで求めることができる。この計算値に基づいて、材料改質すべき対象材料の膜あるいは層と、それが形成された基板あるいは他の膜とが溶融するまでの時間を求め、対象材料が最初に融解することを確認する。すなわち、対象材料を最初に融解することできれば、その計算により求めた時間だけ対象材料を輻射加熱することにより、対象材料を選択的に加熱して溶融させることができる。
【００４１】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００４２】
まず、本発明の第１の実施の形態による半導体製造装置について、図２を参照しながら説明する。図２は本発明の第１の実施の形態による半導体製造装置としての熱処理装置の概略構成を示す図であり、図３は図２に示す熱処理装置の平面図である。
【００４３】
図２に示す熱処理装置は、選択加熱輻射装置であり、処理チャンバ内のサセプタ上に載置されたウェーハＷに対してレーザ光を照射してウェーハ表面（表面に形成された薄膜）を選択的に加熱する装置である。
【００４４】
処理チャンバ１内に配置されたサセプタ２は、サセプタ移動機構３により処理チャンバ１内で水平移動できるように構成されている。ウェーハＷはサセプタ２の上面に載置された状態で処理チャンバ１の天井壁１ａに対向する。天井壁１ａを含む処理チャンバ１の壁面は、例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミック材により形成され、処理チャンバ１内は周囲の雰囲気から隔離される。隔離されたチャンバ内は、処理光の影響を与えない為に、処理光を吸収しにくい特定のガスや真空雰囲気にコントロールすることができる。ここでガス導入、排気ボンプ等に関する記載は省略する。また、光学系についても同様の処理を施してもよい。
【００４５】
処理チャンバ１の天井壁１ａのほぼ中央には、透過窓４が天井壁１ａの一部として設けられる。レーザ源５は処理チャンバ１の外側に設けられ、レンズやプリズム等よりなる光学系６を介してレーザ光を処理チャンバ１の内部に照射する。
【００４６】
すなわち、レーザ源５から出力されたレーザ光７は、レンズ６ａにより図２に示すように線状のレーザ光７ａとして拡大され、プリズムあるいは偏向反射板６ｂにより進行方向が９０度変えられて、処理チャンバ１の透過窓４に向けられる。
【００４７】
レーザ光７ａは透過窓４を通過してサセプタ２上に載置されたウェーハＷに照射される。ウェーハＷの表面あるいは、表面付近に形成された薄膜は、レーザ光７ａにより所定の温度に加熱される。ここで、レーザ源５の出力はパワーコントローラ８により制御され、所定の強度のレーザ光７ａがウェーハＷに照射されるよう構成されている。パワーコントローラ８がレーザ源５の出力をオフに制御することで、ウェーハＷの加熱は停止され、ウェーハＷの薄膜は冷却される。また、レーザ源５の出力を完全にオフすることなく冷却時にも小さな出力でレーザ光を出力させることにより、冷却速度を制御することができる。さらに、パワーコントローラ８は、レーザ出力強度が時間と共に変化するように制御することもできる。
【００４８】
サセプタ２はサセプタ移動機構３により処理チャンバ内で図２の矢印方向に段階的に水平移動できるように構成されており、ウェーハＷ上のレーザ照射位置を順次移動することにより、ウェーハＷは線状のレーザ光により走査されることとなる。これにより、ウェーハＷの全面にレーザ光７ａを照射してウェーハＷの全面を熱処理することができる。なお、サセプタ移動機構３は周知の移動機構により構成できるものであり、詳細な説明は省略する。
【００４９】
ここで、レーザ光７の波長は、加熱対象物質（ウェーハＷ又はウェーハＷ上に形成された薄膜）の光吸収波長に合わせて選定される。例えばウェーハＷ上に形成されたシリコン酸化膜の熱処理（材料改質）を行なう場合、波長９．６μｍ〜１０．６μｍの赤外レーザである炭酸ガスレーザ（ＣＯ_２レーザ）が適している。したがって、レーザ源５として炭酸ガスレーザを用いる。
【００５０】
ここで、従来の熱処理装置に用いられている透過窓は溶融石英（透過波長０．４μｍ〜３．５μｍ）であり、波長９．６μｍ〜１０．６μｍの炭酸ガスレーザを透過することができない。したがって、照射光として炭酸ガスレーザを用いた場合、なるべく炭酸ガスレーザ光を吸収しないで透過するな材料として、例えば波長２．５μｍ〜１３μｍの光を透過するゲルマニウム（Ｇｅ）を透過窓４の材料として選定することが好ましい。
【００５１】
ただし、レーザの種類（波長）と透過窓４の材質とは上述の炭酸ガスレーザとゲルマニウムの組み合わせに限ることなく、加熱対象物質を選択的に加熱可能な波長と、その波長の光を損失少なく透過できる材料との組み合わせは様々なものが考えられる。
【００５２】
従来の溶融石英より長い波長の光を透過できる材料として、アルカリハライド、アルカリ土類フロライド、半導体材料、赤外透過ガラス等のような赤外透明結晶材料が考えられる。
【００５３】
例えばアルカリハライドとしては、ＮａＦ，ＮａＣｌ，ＫＣｌ，ＫＢｒ、ＫＩ，ＣｓＢｒ，ＣｓＩ等がある。アルカリ土類フロライドとしては、ＣａＦ_２，ＳｒＦ_２，ＢａＦ_２，ＭｇＦ_２，ＰｂＦ_２等がある。半導体材料としては、Ｇｅ，Ｓｉ，ＧａＡＳ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＣｄＴｅ等がある。赤外透過ガラスとしては、カルコゲナイドガラス（Ｇｅ３３Ａｓ１２Ｓ５５）、コーニング９７５４（商標）等がある。
【００５４】
以上のような赤外透明結晶材料により形成した透過窓に反射防止コーティングを施すことで赤外線透過率を向上することもできる。例えば、ＧｅあるいはＳｉにより形成した透過窓にＧｅ及びＳｉＯ_２のコーティングを両面に施す。また、ＺｎＳｅにより形成した透過窓にＺｎＳｅ及びＴｈＦ_４のコーティングを両面に施す。
【００５５】
また、処理チャンバの透過窓には大きな曲げ応力が加わることがあり、上記の材料単体では曲げ応力に耐えられない場合がある。そこで、透過窓を、曲げ応力に耐える強度を有する格子状の骨格部分と、骨格部分により分けられた小面積の部分とにより形成する。そして、骨格部分を比較的強度を有する例えば透光性セラミックスにより形成し、小面積の部分を上記の赤外透明結晶材料又はそれに反射防止コーティングを施したもので形成する。例えば、骨格部分をアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）又は単結晶アルミナとしてサファイヤにより形成し、小面積の部分をＢａＦ_２により形成することができる。あるいは、小面積の部分を、例えばＺｎＳｅ基板にＺｎＳｅ及びＴｈＦ_４のコーティングを両面コーティングしたものとしてもよい。
【００５６】
なお、上述の実施の形態では赤外レーザ光を照射して加熱する熱処理装置として説明したが、赤外レーザの代わりに赤外ランプを用いてもよい。また、レーザの種類も赤外レーザに限ることなく、加熱すべき対象物質によっては紫外レーザが適している場合もある。また、紫外レーザの代わりに紫外ランプを用いてもよい。
【００５７】
以上のように、本実施の形態による熱処理装置では、加熱すべき対象物質の光吸収波長に合致した波長の光を照射して効率的に対象物質を加熱する。また、加熱用の光が透過する透過窓の材料を、光の波長に応じて吸収されにくい材料を選定するので、光が透過窓を通過する際の損失が低減され、効率的に熱処理を行なうことができ、熱処理装置の運転に費やされるエネルギ量を低減することができる。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施の形態による半導体製造装置としての熱処理装置について図４を参照しながら説明する。図４は本発明の第２の実施の形態による熱処理装置の全体構成を示す断面図である。
【００５９】
図４に示す熱処理装置は、選択加熱輻射装置であり、処理チャンバ内のサセプタ上に載置されたウェーハＷに対してランプ光を照射してウェーハ表面（表面に形成された薄膜）を選択的に加熱する装置である。
【００６０】
処理チャンバ１１内に配置されたサセプタ１２は、サセプタ回転機構１３により処理チャンバ１１内で水平回転できるように構成されている。ウェーハＷはサセプタ１２の上面に載置された状態で処理チャンバ１１の天井壁に対向する。処理チャンバ１１の壁面は、例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミック材により形成され、処理チャンバ１１の内部は周囲の雰囲気から隔離される。
【００６１】
処理チャンバ１の天井壁は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）により形成された透過窓１４となっている。複数のランプ１５は処理チャンバ１１の外側に設けられ、透過窓１４を介してランプ光を処理チャンバ１１の内部に照射する。
【００６２】
すなわち、ランプ１５から出力されたランプ光１７は、ランプ１５の周囲に設けられたリフレクタ１６により処理チャンバ１１の透過窓１４に向けられる。
【００６３】
ランプ光１７は透過窓１４を通過してサセプタ１２上に載置されたウェーハＷに照射される。ウェーハＷの表面あるいは、表面付近に形成された薄膜は、レーザ光１７により所定の温度に加熱される。ここで、ランプ電源１５の出力はパワーコントローラ１８により制御され、所定の強度のランプ光１７がウェーハＷに照射されるよう構成されている。パワーコントローラ１８がランプ電源１５の出力をオフに制御することで、ウェーハＷの加熱は停止され、ウェーハＷの薄膜は冷却される。また、ランプ電源１５の出力を完全にオフすることなく冷却時にも小さな出力でランプ光を出力させることにより、冷却速度を制御することができる。さらに、パワーコントローラ１８は、レーザ出力強度が時間と共に変化するように制御することもできる。
【００６４】
サセプタ１２はサセプタ回転機構１３により処理チャンバ内で回転できるように構成されており、ウェーハＷにランプ光が均一に照射される。これにより、ウェーハＷの全面を均一に熱処理することができる。なお、サセプタ回転機構１３は周知の回転機構により構成できるものであり、詳細な説明は省略する。
【００６５】
ここで、ランプ光１７の波長は、加熱対象物質（ウェーハＷ又はウェーハＷ上に形成された薄膜）の光吸収波長に合わせて選定される。例えばウェーハＷ上に形成されたシリコン酸化膜の熱処理（材料改質）を行なう場合、波長２μｍ〜１１μｍのセラミックコーティングランプが適している。また、この場合、ランプ光１７が通過する透過窓１４は、なるべくランプ光を吸収しないような材料として、例えば波長０．１５μｍ〜６．０μｍの光を透過するアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を選定することが好ましい。ただし、ランプ光の種類（波長）と透過窓１４の材質との組み合わせは、加熱対象物質を選択的に加熱可能な波長と、その波長の光を損失少なく透過できる材料として様々なものが考えられる。
【００６６】
次に、上述の熱処理装置を用いて薄膜を熱処理することにより材料改質する例について説明する。
【００６７】
１）周辺を低温に保持したまま低誘電率膜を熱処理して材料改質する例
トランジスタ等の半導体製造工程において、ウェーハ上にトランジスタ構造を形成した後に導電金属の配線層等を形成するための配線工程は、一般的にＢＥＯＬ（Back End Of Line）と称される。ＢＥＯＬでは、すでにトラにジスタ構造がウェーハ上に形成されているため、熱処理を行なう際にはトランジスタ構造に影響を及ぼさないように比較的低温に保ったまま加熱対象材料のみを選択的に加熱して高温にすることが好ましい。
【００６８】
また、ＢＥＯＬにて形成される層構造（ＢＥＯＬ構造と称する）では、トランジスタの高速動作を達成するために、層間絶縁層を低誘電率材料（Ｌｏｗ−ｋ材料）で形成したり、配線層を低抵抗材料で形成したりする試みがなされている。また、これらの材料を用いて形成した構造の機械強度や密着性を向上させるなどの総合的なＢＥＯＬ構造の質的向上が求められている。
【００６９】
したがて、各種のＬｏｗ−ｋ材料と各種の配線層材料が試され、ＢＥＯＬ構造における回路定数ＲＣを低減するためのプロセスの開発が進められている。回路定数ＲＣの低減には、配線バルク材料としてのＣｕ及び配線バリアメタル材料としてのＴａＮ等によるＲ低減よりも、層間絶縁層のＬｏｗ−ｋ材料によるＣ低減のほうが効果が大きい。
【００７０】
そこで、層間絶縁層の材料開発において、まず材料自体の低誘電率化が求められるが、次に、低誘電率材料の密度を低減することによりさらに低誘電率化することが提案されている。ここで、層間絶縁層の材料が低密度となると、結果として、層間絶縁層の機械強度が低下し、また、配線材料との密着性が低下する。このため、層間絶縁層を熱処理して機械強度を向上させ、且つ配線材料との密着性を向上させることが好ましい。
【００７１】
したがって、層間絶縁層に対して熱処理を施すという要求があるが、層間絶縁層はＦＥＯＬ（Front End Of Line）工程において既に形成されたトランジスタ構造の上に形成される層であり、このトランジスタ構造を壊さないように層間絶縁層の周囲の部分を低温に保ったまま、層間絶縁層のみを選択的に加熱することが要求される。
【００７２】
層間絶縁層に適した材料を特定するには、多くの種類のＬｏｗ−ｋ材料を試して使用可能性を確認するが、その際に熱処理を行なって好適な材質に改質することも試みる必要がある。一般的に、熱処理温度が高いほど材料の改質の程度は大きい。すなわち、処理温度が高いほど好適な材料改質を行なうことができる可能性が高くなる。
【００７３】
ところが、上述のようにＦＥＯＬにて形成したトランジスタ構造に影響を及ぼさないようにするために、ＢＥＯＬ工程では高温の熱処理を行なうことはできないとされていた。すなわち、従来の半導体製造装置（熱処理装置）では、処理チャンバ内部全体もしくはウェーハ全体を加熱し、結果としてウェーハ上の対象材料を加熱するという加熱方法であるため、対象材料である層間絶縁層の周囲部分も同時に加熱されてしまい、層間絶縁層の改質を十分に行なうことができなかった。
【００７４】
そこで、上述の本発明による熱処理装置を用いて、層間絶縁層のみを選択的に加熱することで、層間絶縁層を所望の特性になるように改質する。
【００７５】
層間絶縁層を形成するためのシロキサン系低誘電率材料（Ｌｏｗ−ｋ材料）としてＳｉＯＣＨ膜が用いられることが多い。ＳｉＯＣＨ膜は材料構造中にＳｉ−Ｏ結合を有しており、その吸収係数が急激に増大する波長が存在する。図５は例えばＶ３Ｄ３Ｖ膜の吸収係数αを示すグラフである。Ｓｉ−Ｏ結合を有するために、波長８μｍ〜１０．５μｍの間で吸収係数αが急激に増大することが分かる。
【００７６】
そこで、この吸収係数が増大する範囲の波長の光を照射することにより、Ｖ３Ｄ３膜を輻射加熱すれば、Ｖ３Ｄ３膜のみを選択的に加熱することができる。Ｖ３Ｄ３膜の吸収係数αは、波長が９．５μｍ付近にピークを有しており、この波長は赤外レーザ光である炭酸ガスレーザ光の波長（９．６〜１０．６μｍ）に近似している。
【００７７】
したがって、図２に示す本発明による熱処理装置のレーザ源５に炭酸ガスレーザを用いることにより、ＢＥＯＬ構造中のＬｏｗ−ｋ膜であるＶ３Ｄ３膜に炭酸ガスレーザ光を照射して選択的に加熱することができる。この際、Ｌｏｗ−ｋ膜であるＶ３Ｄ３膜の下には、例えばバリアメタルとしてＴａＮ膜あるいはＴａ膜が形成されており、その下には例えば配線層のＣｕ膜が形成されているが、これらの膜の炭酸ガスレーザ光の波長に対する吸収係数はＶ３Ｄ３膜の吸収係数よりはるかに小さいため、Ｖ３Ｄ３膜のみが選択的に且つ効率的に加熱され、温度が上昇する。
【００７８】
Ｖ３Ｄ３膜が所定の温度に達した後に、炭酸ガスレーザの照射エネルギを小さくすることにより、加熱したＶ３Ｄ３膜は冷却される。ここで、炭酸ガスレーザの出力を停止することにより大きな冷却速度で冷却することができる。すなわち、Ｖ３Ｄ３膜のみが選択的に加熱されているため、Ｖ３Ｄ３膜の周囲の部分は低温のままであり、Ｖ３Ｄ３膜の熱が急速に周囲に拡散するため、Ｖ３Ｄ３膜自体を急速冷却することができる。一方、炭酸ガスレーザの照射エネルギをある程度維持しながらＶ３Ｄ３膜を冷却することで、冷却速度は小さくなる。したがって、Ｖ３Ｄ３膜を所定の温度まで加熱した後に、炭酸ガスレーザの出力を制御しながら低減することにより、Ｖ３Ｄ３膜の冷却速度を制御することができる。
【００７９】
冷却速度を制御することにより、Ｖ３Ｄ３膜の結晶粒径を制御することができる。すなわち、Ｖ３Ｄ３膜を急速に冷却することにより粒径は小さくなり、徐々に冷却するこおとにより粒径は大きくなる。したがって、Ｖ３Ｄ３膜の冷却速度を制御することにより、Ｖ３Ｄ３膜の密度を変えることができる。Ｖ３Ｄ３膜の密度を低くすることにより、誘電率を低くすることができる。また、Ｖ３Ｄ３膜の結晶粒径を制御することで、鉄鋼の焼き入れにおいてオーステナイト相がマルテンサイト相に変態する現象と同様に機械的強度を向上させることもできる。
【００８０】
ここで、波長９．６μｍ〜１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光をＶ３Ｄ３膜に照射した際の溶融時間を試算した結果を図６に示す。Ｖ３Ｄ３膜は、ＴａＮ膜又はＴａ膜上に形成されたものとし、また、ＴａＮ膜又はＴａ膜は、Ｃｕ膜上に形成されたものとした。Ｖ３Ｄ３膜の厚みは０．１μｍとし、ＴａＮ膜又はＴａ膜の厚みは２５０Åとし、Ｃｕ膜の厚みは８００Åとした。また、上述の膜は厚さ８４０μｍのシリコン基板上に形成されたものとし、シリコン基板は厚さ５ｍｍのアルミニウム底板上に載置されたものとした。また、透過窓は表面コーティングされたゲルマニウム（Ｇｅ）で形成されているものとした。また、炭酸ガスレーザ光のエネルギ密度は１×１０^５Ｗ／ｃｍ^２とした。
【００８１】
図６に示す例では、Ｌｏｗ−ｋ膜であるＶ３Ｄ３膜の吸収係数αを９．８×１０^４／ｃｍ、９．８×１０^３／ｃｍ、９．８×１０^２／ｃｍ、９．８×１０／ｃｍ、とした場合の各層の溶融時間を試算した。この結果、Ｖ３Ｄ３膜の吸収係数αの値が上記いずれの場合であっても、Ｖ３Ｄ３膜は他の部分よりはるかに短い時間で融解することが分かった。例えば、Ｖ３Ｄ３膜の吸収係数αの値を９．８×１０／ｃｍと小さな値にした場合であっても、Ｖ３Ｄ３膜が融解するまでの時間は３．０１秒であり、これに対してＶ３Ｄ３膜の下の層であるＴａＮ膜又はＴａ膜の融解までの時間は１８２秒となる。
【００８２】
したがって、炭酸ガスレーザ光をＢＥＯＬ構造中のＶ３Ｄ３膜に照射することにより、他の部分を低温に保ったままＶ３Ｄ３膜を選択的に加熱することができることが確認できた。
【００８３】
以上のように、本発明による熱処理装置を用いて、低誘電率膜の吸収係数が非常に大きくなる波長の光を照射して低誘電率膜のみを選択的に輻射加熱し、且つ冷却速度を制御することができる。これにより、ＭＯＳトランジスタ等の半導体構造におけるＢＥＯＬ構造中のＶ３Ｄ３膜のような低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）の誘電率の低減や機械強度の向上につながる改質を行なうことができる。
【００８４】
上述の低誘電率膜の選択加熱及び冷却による材料改質は、炭酸ガスレーザを用いた図２に示す熱処理装置により行なうことができるが、光源としてレーザに限ることなく、赤外ランプ（ＩＲランプ）による赤外線照射によっても行なうことができる。すなわち、図２に示す熱処理装置の代わりに、ランプ光源としてセラミックコーティングランプ（波長２〜１１μｍ）のような赤外ランプを用いた図４に示す熱処理装置を用いることもできる。この場合、透過窓４を形成する材料としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いてもよい。アルミナの光透過波長は０．１５μｍ〜６．０μｍであり、透過できる光の波長範囲がゲルマニウムより狭いが、赤外ランプ光は炭酸ガスレーザ光よりエネルギ密度が小さいため、問題なく使用することができる。
【００８５】
赤外ランプから赤外線をトランジスタ構造中の低誘電率膜に照射して加熱し、その後、照射エネルギを小さく制御しながら冷却する。これにより、上述のレーザ光照射による選択加熱及び冷却と同様な効果を得ることができる。赤外ランプを光源として用いることにより、レーザ源を用いる場合よりも安価な熱処理装置を実現することができる。また、アルミナ製の透過窓を用いることで熱処理装置の製造コストを更に低減することができる。
【００８６】
２）周辺を低温に保持したままバリアメタル膜を熱処理して材料改質する例
上術のように、トランジスタ等の半導体製造工程において、ＢＥＯＬ工程では、すでにトラにジスタ構造がウェーハ上に形成されているため、熱処理を行なう際にはトランジスタ構造に影響を及ぼさないように比較的低温に保ったまま加熱対象材料のみを選択的に加熱して高温にすることが好ましい。
【００８７】
ＢＥＯＬにて形成される層構造（ＢＥＯＬ構造と称する）では、トランジスタの高速動作を達成するために、層間絶縁層を低誘電率材料（Ｌｏｗ−ｋ材料）で形成する試みがなされている。また、層間絶縁層（低誘電率膜）と配線層との間にはバリアメタル膜として、例えばＴａＮ膜やＴａ膜が形成される。
【００８８】
このようなＢＥＯＬ構造中で、バリアメタル膜と低誘電率膜との間の密着性を向上させることが求められている。ここで、バリアメタル膜の上に低誘電率膜を形成した後に、バリアメタル膜と低誘電率膜との間の界面付近を加熱することにより、界面において化学反応を引き起こし、密着性を向上させることができることがわかった。
【００８９】
したがって、バリアメタル膜と低誘電率膜との間の界面に近いバリアメタル膜の上層部分と、当該界面に近い低誘電率膜の下層部分とを選択的に加熱して界面で化学反応を起こさせるという要求がある。しかし、バリアメタル膜と低誘電率膜はＦＥＯＬ（Front End Of Line）工程において既に形成されたトランジスタ構造の上に形成される層であり、このトランジスタ構造を壊さないように層間絶縁層の周囲の部分を低温に保ったまま、バリアメタル膜と低誘電率膜との間の界面付近のみを選択的に加熱することが要求される。
【００９０】
ここで、バリアメタル膜として用いられるＴａＮ膜やＴａ膜は、紫外光を吸収する特性を有していることがわかった。そこで、図２に示した本発明による熱処理装置において、レーザ源５をエキシマレーザ（波長０．２４９μｍｍ又は０．３８μｍ）とすることにより、ＢＥＯＬ構造中の例えばＴａＮ膜やＴａ膜のようなバリアメタル膜を選択加熱する。これによりバリアメタル膜と低誘電率膜との間の界面付近を加熱し、密着性を向上させる。
【００９１】
ここで、波長０．３μｍの紫外レーザ光をＢＥＯＬ構造中の低誘電率膜（Ｖ３Ｄ３膜）に照射した際の各層の溶融時間を試算した結果を図７に示す。Ｖ３Ｄ３膜は、バリアメタル膜であるＴａＮ膜又はＴａ膜上に形成されたものとし、また、ＴａＮ膜又はＴａ膜は、Ｃｕ膜上に形成されたものとした。Ｖ３Ｄ３膜の厚みは０．１μｍとし、ＴａＮ膜又はＴａ膜の厚みは２５０Åとし、Ｃｕ膜の厚みは８００Åとした。また、上述の膜は厚さ７３０μｍのシリコン基板上に形成されたものとし、シリコン基板は厚さ５ｍｍのアルミニウム底板上に載置されたものとした。また、透過窓はフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）で形成されているものとした。また、紫外レーザ光のエネルギ密度は１×１０^５Ｗ／ｃｍ^２とした。
【００９２】
図７に示す例では、低誘電率膜であるＶ３Ｄ３膜の吸収係数αを４．２×１０^４／ｃｍ及び４．２／ｃｍとし、また、バリアメタル膜であるＴａＮ膜又はＴａ膜の吸収係数αを８．４×１０^６／ｃｍ及び８．４×１０^５／ｃｍとした場合の各層の溶融時間を試算した。この結果、Ｖ３Ｄ３膜の吸収係数α及びＴａＮ膜又はＴａ膜の吸収係数αの値が上記いずれの場合であっても、バリアメタル膜であるＴａＮ膜又はＴａ膜は他の部分よりはるかに短い時間で融解することが分かった。
【００９３】
例えば、Ｖ３Ｄ３膜の吸収係数αの値を４．２×１０^２／ｃｍとし、且つＴａＮ膜又はＴａ膜の吸収係数の値を８．４×１０^６／ｃｍとした場合には、ＴａＮ膜又はＴａ膜の表面（界面）は２．５２秒で融解するのに対して、上層のＶ３Ｄ３膜が融解するまでの時間は１０．２秒である。したがて、上層のＶ３Ｄ３膜よりはるかに短時間でＴａＮ膜又はＴａ膜を選択的に加熱し、Ｖ３Ｄ３膜とＴａＮ膜又Ｔａ膜との間の界面付近を選択的に加熱することができる。
【００９４】
以上のように、本発明による熱処理装置を用いて、バリアメタル膜の吸収係数が非常に大きくなる波長の光を照射してバリアメタル膜のみを選択的に輻射加熱することができる。これにより、ＭＯＳトランジスタ等の半導体構造におけるＢＥＯＬ構造中のＴａＮ膜やＴａ膜のようなバリアメタル膜と、その上に形成されたＶ３Ｄ３膜のような低誘電率膜との間の密着性の向上等につながる改質を行なうことができる。
【００９５】
上述のバリアメタル膜の選択加熱による材料改質（密着性向上）は、紫外レーザを用いた図２に示す熱処理装置により行なうことができるが、光源としてレーザに限ることなく、紫外ランプ（ＵＶランプ）による紫外線照射によっても行なうことができる。すなわち、図２に示す熱処理装置の代わりに、ランプ光源としてアークランプ（波長０．２〜１．２μｍ）やメタルハライドランプのような赤外ランプを用いた図４に示す熱処理装置を用いることもできる。この場合、透過窓４を形成する材料としてフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）を用いることが好ましい。
【００９６】
紫外ランプから紫外線をトランジスタ構造のけるＢＥＯＬ構造中の低誘電率膜に照射してその下のバリアメタル膜を選択的に加熱し、その後、照射エネルギを小さく制御しながら冷却する。これにより、上述のレーザ光照射による選択加熱及び冷却と同様な効果を得ることができる。紫外ランプを光源として用いることにより、レーザ源を用いる場合よりも安価な熱処理装置を実現することができる。
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、トランジスタ構造中のＢＥＯＬ構造において、加熱すべき対象物質を選択的に加熱し且つ冷却することにより、加熱対象物質の材料改質を行なうことができる。また、選択加熱であるため、加熱に費やされるエネルギを低減することができ、半導体製造装置の省エネルギ化及び低温加熱を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコン基板上に低誘電率膜が形成された層構造に炭酸ガスレーザを照射して加熱した際の層構造中の温度上昇を示すグラフである。
【図２】本発明の第１の実施の形態による熱処理装置の全体構成を示す断面図である
【図３】図１に示す熱処理装置の平面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態による熱処理装置の全体構成を示す断面図である。
【図５】Ｖ３Ｄ３膜の吸収係数と波長の関係を示すグラフである。
【図６】炭酸ガスレーザ光を低誘電率膜に照射した際の溶融時間を試算した結果を示す図である。
【図７】紫外レーザ光を低誘電率膜を介してバリアメタル膜に照射した際の溶融時間を試算した結果を示す図である。
【符号の説明】
１，１１ 処理チャンバ
１ａ 天井壁
２，１２ サセプタ
３ サセプタ移動機構
４，１４ 透過窓
５ レーザ源
６ 光学系
７，７ａ レーザ光
８，１８ パワーコントローラ
１３ サセプタ回転機構
１５ ランプ
１６ リフレクタ
１７ ランプ光[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor manufacturing technique, and more particularly to a semiconductor manufacturing apparatus and a heat treatment method for modifying a thin film formed on a substrate by heat treatment.
[0002]
[Prior art]
In a manufacturing process of a semiconductor product, various thin films are formed on a substrate such as a silicon wafer. In some cases, such a thin film is subjected to a heat treatment so-called material modification for obtaining desired characteristics. In particular, with the recent increase in density and functionality of semiconductor products, various thin film material modifications are becoming important.
[0003]
Conventionally, laser annealing has been proposed as an example of heat treatment for material modification. Laser annealing is a technique in which a substrate or thin film to be heat-treated is irradiated with laser light and heated to cool it to have desired characteristics. However, laser annealing technology has not been put into practical use except for laser doping, and has been terminated at the idea stage.
[0004]
In the laser annealing described above, there is an idea of melting and solidifying the target substance (material constituting the thin film etc.) to be modified, but a technique for controlling the solidification rate when solidifying the molten material is proposed. It has not been. In conventional laser annealing, the melted material solidifies at a solidification rate determined by the heat transfer environment in the hardware of the laser annealing apparatus (heat treatment apparatus). For this reason, the target material after solidification is only in an amorphous state or a polycrystalline state determined by the solidification rate. Thus, in the conventional laser annealing, the cooling after heating the target substance is left to natural cooling, and the state of the target substance is not intentionally controlled (material modification).
[0005]
Further, in a heating method such as radiant heating by laser light irradiation, if the heating light (for example, laser light) and the wavelength of the portion having good light absorption characteristics of the target substance to be heated are used as the heating light, the efficiency is improved. The radiant heating can be performed well. However, in the conventional laser annealing, there is no example referring to the radiation heating design in consideration of the relationship between the light absorption characteristics of the material to be heated and the wavelength of the light at the time of radiation heating.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-5-275336
[0007]
[Patent Document 2]
JP-A-7-202208
[0008]
[Patent Document 3]
JP-A-9-82662
[0009]
[Patent Document 4]
JP 2001-102593 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, when a material modification of a thin film on a wafer is performed using a semiconductor device manufacturing apparatus such as a heat treatment apparatus, the entire wafer and the entire apparatus chamber of the heat treatment apparatus must be heated. there were.
[0011]
1) Since the conventional heat treatment apparatus heats the entire wafer or the entire apparatus, the energy efficiency used in the heat treatment is low, and energy saving measures are required.
[0012]
That is, since only the target material (the portion to be heated) is not selectively heated, the total energy consumption remains high despite the small amount of energy supplied to the target material.
[0013]
2) Device constituent materials are changing year by year, and materials having a low heat-resistant temperature are being used. Therefore, it is necessary to lower the processing temperature.
[0014]
That is, since only the target material (portion to be heated) is not selectively heated, the wafer heating temperature is governed by the highest processing temperature, and as a result, the heat treatment temperature cannot be lowered.
[0015]
3) Since the target material cannot be cooled at a desired cooling rate after being heated and melted, the solidification rate cannot be controlled. Therefore, the target material after solidification cannot be brought into a desired state.
[0016]
The present invention has been made in view of the above points, and achieves energy saving and low temperature heating of the heat treatment apparatus by selectively heating the target material to be heated, and before melting the target material. It can be intentionally modified by controlling the temperature that is lowered from the temperature. Heat An object is to provide a processing method.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, A heat treatment method used for heat treatment of a film formed in a wiring process of a semiconductor manufacturing process, wherein the film is irradiated with light having a wavelength corresponding to a light absorption wavelength of the film formed in the wiring process of a semiconductor manufacturing process. The film is selectively heated with respect to a surrounding portion, the intensity of the irradiated light is controlled, and the heated film is cooled by a heat transfer action to the surroundings, A low dielectric constant film having a Si-O bond, and the light is a carbon dioxide laser beam, and the low dielectric constant film is selectively heated to change a dielectric constant and mechanical strength of the low dielectric constant film, thereby reducing the low dielectric constant film. Heat treatment method, wherein dielectric film is SiOCH film Is provided.
[0021]
Further, according to the present invention, there is provided a heat treatment method used for heat treatment of a film formed in a wiring process of a semiconductor manufacturing process, wherein a wavelength corresponding to a light absorption wavelength of the film formed in the wiring process of the semiconductor manufacturing process is set. The film is irradiated with the light, the film is selectively heated with respect to the surrounding portion, the intensity of the irradiated light is controlled, and the heated film is cooled by the heat transfer action to the surroundings. To do The film is a barrier metal film formed between a low dielectric constant film and a conductive layer, the light is an ultraviolet laser beam, and the barrier metal and the film are selectively heated by heating the barrier metal film. Improve adhesion with low dielectric constant film The heat processing method characterized by this is provided.
[0024]
According to the above-described invention, the material modification of the heating target substance can be performed by selectively heating and cooling the target substance to be heated in the wiring process of the semiconductor manufacturing process. Moreover, since it is selective heating, energy consumed for heating can be reduced, and energy saving and low-temperature heating of the semiconductor manufacturing apparatus can be achieved. Further, the material modification of the heating target substance can be performed by selectively heating and melting only the heating target substance and controlling the solidification rate.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the principle of selective radiation heating according to the present invention will be described.
[0025]
When the material modification is performed by selective radiation heating, the selective radiation heating design in the multilayer structure during the wafer processing process is performed according to the radiation energy absorption characteristics of the material to be modified. That is, it is examined whether or not the target material can be subjected to selective radiation heating.
[0026]
As conditions for performing selective radiant heating, first, (1) the absorption length of the target material to be modified (reciprocal of the absorption coefficient: 1 / α) needs to be larger than or substantially equal to the film thickness of the target material. Yes (absorption length ≧ film thickness of target material layer). Further, (2) even when the absorption length of the target material to be modified is smaller than the film thickness of the target material layer, the base of the target material layer has a highly reflective material structure (for example, a reflectance of 95% or more). I just need it.
[0027]
When the selective radiation heating design is performed based on the above conditions (1) and (2) to calculate the melting time of the target material layer, and the substrate (wafer) including the target material layer is radiantly heated, Make sure it melts first. For example, when irradiating a laser beam as a radiant heating source, by irradiating only the melting time, only the target material layer can be adiabatically selectively radiatively heated and melted.
[0028]
Here, the relationship between the irradiation time of the radiation heating light and the temperature rise of the substrate including the target material layer will be considered.
[0029]
Heat flux q to semi-infinite solid ₀ The temperature T (δ, t) at the depth δ and time t from the solid surface can be expressed by the following equation. In the following equations, K is thermal conductivity, A is area, and Td is temperature conductivity.
[0030]
[Expression 1]

Here, the error function erf can be approximated by a quadratic function, and Ti is room temperature and can be ignored. As a result, the above equation becomes as follows.
[0031]
[Expression 2]

When the target material structure, each physical property value, and the heat flux value are given in the above equations and calculated, the temperature T (δ, t) at each position from the individual surface can be calculated.
[0032]
As an example of the temperature calculation, the temperature rise in the layer structure when the layer structure in which, for example, a V3D3 film is formed on a silicon substrate (Si) is heated by irradiation with a carbon dioxide laser was calculated. FIG. 1 is a graph showing the results. The thickness of the silicon substrate was 750 μm, and the thickness of the V3D3 film was 100 nm.
[0033]
In the graph of FIG. 1, T (0, t) is the surface temperature of the V3D3 film, and T (40, t), T (80, t), T (120, t), and T (1600, t) are , Temperatures at positions of 40 nm, 80 nm, 120 nm, and 1600 nm from the surface, respectively. Therefore, T (40, t) and T (80, t) are temperatures in the V3D3 film, T (120, t) indicates the temperature of the silicon substrate near the boundary portion, and T (1600, t) is , Shows the temperature in the V3D3 film away from the boundary.
[0034]
From the graph of FIG. 1, it can be seen that the temperature of the V3D3 layer suddenly decreases immediately after its glass transition temperature (for example, 300 ° C., 400 ° C.) immediately after the laser irradiation time exceeds 50 seconds. . On the other hand, T (1600, t) representing the temperature of the silicon substrate hardly changes from room temperature. Therefore, in the example shown in FIG. 2, it can be seen that only the V3D3 layer on the surface can be selectively heated and melted while keeping the underlying silicon substrate at room temperature.
[0035]
Here, the melting time of the target material can be calculated based on the unsteady heat conduction of the semi-infinite object in consideration of the radiation property, the material absorption coefficient α, and the film thickness d.
[0036]
In the nature of radiation, T = [(1-R) where T is the dimension (numberless dimension), the reflectance is R (numberless dimension), and the absorptance is Abs (numberless dimension). ² * Exp (-αd)] / [1-R ² * Exp (-2αd)] and R = [(n−1) ² + K ² ] / [(N + 1) ² + K ² ]. Here, k is an extinction coefficient of the material. A relationship of Abs = 1−TR is established among T, R, and Abs.
[0037]
When the temperature T (0, t) of the surface of the target material is obtained based on the unsteady heat conduction of the semi-infinite object, the heat flux per unit area is F · Abs as follows.
[0038]
[Equation 3]

From this, the time tm for the surface temperature to reach the melting point is obtained as follows. Here, Td is the thermal diffusion constant of the material [cm ² / Sec].
[0039]
[Expression 4]

Further, the time Tbt from the surface melting to the bottom melting can be expressed by Tbt = dρΔH / 0.16F · Abs by applying the surface energy conservation law in the first-order heat conduction equation in the semi-infinite body. Here, ρ is the density of the target material, and ΔH is the latent heat of fusion.
[0040]
As described above, the time t until the target material film melts can be obtained by t = tm + tbt. Based on this calculated value, calculate the time until the target material film or layer to be modified and the substrate or other film on which it is formed melt and confirm that the target material melts first. . That is, if the target material can be melted first, the target material can be selectively heated and melted by radiatively heating the target material for the time obtained by the calculation.
[0041]
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0042]
First, the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a heat treatment apparatus as a semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a plan view of the heat treatment apparatus shown in FIG.
[0043]
The heat treatment apparatus shown in FIG. 2 is a selective heating radiation apparatus, which selectively irradiates the wafer W (thin film formed on the surface) to the wafer W placed on the susceptor in the processing chamber. It is an apparatus that heats the water.
[0044]
The susceptor 2 disposed in the processing chamber 1 is configured to be horizontally moved in the processing chamber 1 by a susceptor moving mechanism 3. The wafer W faces the ceiling wall 1 a of the processing chamber 1 while being placed on the upper surface of the susceptor 2. The wall surface of the processing chamber 1 including the ceiling wall 1a is formed of, for example, a ceramic material such as aluminum oxide or aluminum nitride, and the processing chamber 1 is isolated from the surrounding atmosphere. Since the inside of the isolated chamber is not affected by the processing light, it can be controlled to a specific gas or vacuum atmosphere that hardly absorbs the processing light. Here, descriptions regarding gas introduction, exhaust pumps, and the like are omitted. Also, the same processing may be applied to the optical system.
[0045]
A transmission window 4 is provided as a part of the ceiling wall 1a in the approximate center of the ceiling wall 1a of the processing chamber 1. The laser source 5 is provided outside the processing chamber 1 and irradiates the inside of the processing chamber 1 with laser light through an optical system 6 including a lens and a prism.
[0046]
That is, the laser beam 7 output from the laser source 5 is expanded as a linear laser beam 7a as shown in FIG. 2 by the lens 6a, and the traveling direction is changed by 90 degrees by the prism or the deflecting reflector 6b. It is directed to the transmission window 4 of the chamber 1.
[0047]
The laser beam 7 a passes through the transmission window 4 and is irradiated onto the wafer W placed on the susceptor 2. The thin film formed on or near the surface of the wafer W is heated to a predetermined temperature by the laser light 7a. Here, the output of the laser source 5 is controlled by the power controller 8 so that the wafer W is irradiated with a laser beam 7 a having a predetermined intensity. When the power controller 8 controls the output of the laser source 5 to be turned off, the heating of the wafer W is stopped and the thin film of the wafer W is cooled. In addition, the cooling rate can be controlled by outputting the laser beam with a small output even during cooling without completely turning off the output of the laser source 5. Furthermore, the power controller 8 can also control the laser output intensity to change with time.
[0048]
The susceptor 2 is configured to be horizontally moved stepwise in the direction of the arrow in FIG. 2 by the susceptor moving mechanism 3, and the wafer W is linearly moved by sequentially moving the laser irradiation position on the wafer W. The laser beam is scanned. Accordingly, the entire surface of the wafer W can be heat-treated by irradiating the entire surface of the wafer W with the laser beam 7a. The susceptor moving mechanism 3 can be constituted by a known moving mechanism, and detailed description thereof is omitted.
[0049]
Here, the wavelength of the laser beam 7 is selected according to the light absorption wavelength of the heating target substance (wafer W or a thin film formed on the wafer W). For example, when heat treatment (material modification) is performed on a silicon oxide film formed on the wafer W, a carbon dioxide laser (CO) that is an infrared laser having a wavelength of 9.6 μm to 10.6 μm. ₂ Laser) is suitable. Therefore, a carbon dioxide laser is used as the laser source 5.
[0050]
Here, the transmission window used in the conventional heat treatment apparatus is fused silica (transmission wavelength: 0.4 μm to 3.5 μm) and cannot transmit a carbon dioxide laser having a wavelength of 9.6 μm to 10.6 μm. Therefore, when a carbon dioxide laser is used as the irradiation light, for example, germanium (Ge) that transmits light having a wavelength of 2.5 μm to 13 μm is selected as the material of the transmission window 4 as a material that does not absorb the carbon dioxide laser light as much as possible. It is preferable to do.
[0051]
However, the type (wavelength) of the laser and the material of the transmission window 4 are not limited to the above-mentioned combination of the carbon dioxide laser and germanium, and the wavelength capable of selectively heating the heating target substance and the light of that wavelength are transmitted with little loss. Various combinations with possible materials are conceivable.
[0052]
Infrared transparent crystal materials such as alkali halides, alkaline earth fluorides, semiconductor materials, infrared transmission glasses, and the like are conceivable as materials capable of transmitting light having a longer wavelength than conventional fused silica.
[0053]
For example, examples of the alkali halide include NaF, NaCl, KCl, KBr, KI, CsBr, and CsI. As alkaline earth fluoride, CaF ₂ , SrF ₂ , BaF ₂ , MgF ₂ , PbF ₂ Etc. Examples of the semiconductor material include Ge, Si, GaAS, ZnS, ZnSe, and CdTe. Examples of the infrared transmitting glass include chalcogenide glass (Ge33As12S55), Corning 9754 (trademark), and the like.
[0054]
The infrared transmittance can be improved by applying an antireflection coating to the transmission window formed of the infrared transparent crystal material as described above. For example, Ge and SiO are formed on a transmission window formed of Ge or Si. ₂ Coating on both sides. In addition, ZnSe and ThF are formed on the transmission window formed of ZnSe. ₄ Coating on both sides.
[0055]
Further, a large bending stress may be applied to the transmission window of the processing chamber, and the above material alone may not be able to withstand the bending stress. Therefore, the transmission window is formed by a lattice-like skeleton portion having strength to withstand bending stress and a small area portion divided by the skeleton portion. Then, the skeleton portion is formed of, for example, a translucent ceramic having a relatively high strength, and the small area portion is formed of the above-described infrared transparent crystal material or an antireflection coating applied thereto. For example, the skeleton is made of alumina (Al ₂ O ₃ ) Or sapphire as single crystal alumina, and a small area portion is BaF ₂ Can be formed. Alternatively, a small area portion is formed on, for example, a ZnSe substrate with ZnSe and ThF. ₄ These coatings may be coated on both sides.
[0056]
In the above-described embodiment, the heat treatment apparatus that irradiates and heats infrared laser light has been described. However, an infrared lamp may be used instead of the infrared laser. Further, the type of laser is not limited to an infrared laser, and an ultraviolet laser may be suitable depending on the target substance to be heated. Further, an ultraviolet lamp may be used instead of the ultraviolet laser.
[0057]
As described above, in the heat treatment apparatus according to the present embodiment, the target substance is efficiently heated by irradiating light having a wavelength that matches the light absorption wavelength of the target substance to be heated. In addition, since the material of the transmission window through which the light for heating is transmitted is selected according to the wavelength of the light, the loss when the light passes through the transmission window is reduced, and the heat treatment is performed efficiently. It is possible to reduce the amount of energy consumed for the operation of the heat treatment apparatus.
[0058]
Next, a heat treatment apparatus as a semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the overall configuration of a heat treatment apparatus according to the second embodiment of the present invention.
[0059]
The heat treatment apparatus shown in FIG. 4 is a selective heating radiation apparatus, and selectively irradiates the wafer W placed on the susceptor in the processing chamber with lamp light to selectively expose the wafer surface (thin film formed on the surface). It is an apparatus that heats the water.
[0060]
The susceptor 12 disposed in the processing chamber 11 is configured to be horizontally rotated in the processing chamber 11 by a susceptor rotating mechanism 13. The wafer W faces the ceiling wall of the processing chamber 11 while being placed on the upper surface of the susceptor 12. The wall surface of the processing chamber 11 is formed of, for example, a ceramic material such as aluminum oxide or aluminum nitride, and the inside of the processing chamber 11 is isolated from the surrounding atmosphere.
[0061]
The ceiling wall of the processing chamber 1 is made of, for example, alumina (Al ₂ O ₃ ) Is formed as a transmission window 14. The plurality of lamps 15 are provided outside the processing chamber 11 and irradiate the inside of the processing chamber 11 with lamp light through the transmission window 14.
[0062]
That is, the lamp light 17 output from the lamp 15 is directed to the transmission window 14 of the processing chamber 11 by the reflector 16 provided around the lamp 15.
[0063]
The lamp light 17 passes through the transmission window 14 and is applied to the wafer W placed on the susceptor 12. The thin film formed on or near the surface of the wafer W is heated to a predetermined temperature by the laser light 17. Here, the output of the lamp power source 15 is controlled by a power controller 18 so that the wafer W is irradiated with lamp light 17 having a predetermined intensity. When the power controller 18 controls the output of the lamp power supply 15 to be turned off, the heating of the wafer W is stopped and the thin film on the wafer W is cooled. In addition, the cooling rate can be controlled by outputting the lamp light with a small output even during cooling without completely turning off the output of the lamp power supply 15. Further, the power controller 18 can also control the laser output intensity to change with time.
[0064]
The susceptor 12 is configured to be rotated in the processing chamber by the susceptor rotating mechanism 13, and the wafer W is uniformly irradiated with the lamp light. Thereby, the entire surface of the wafer W can be uniformly heat-treated. The susceptor rotation mechanism 13 can be configured by a known rotation mechanism, and detailed description thereof is omitted.
[0065]
Here, the wavelength of the lamp light 17 is selected in accordance with the light absorption wavelength of the substance to be heated (the wafer W or a thin film formed on the wafer W). For example, when a heat treatment (material modification) of a silicon oxide film formed on the wafer W is performed, a ceramic coating lamp having a wavelength of 2 μm to 11 μm is suitable. In this case, the transmission window 14 through which the lamp light 17 passes is made of, for example, alumina (Al) that transmits light having a wavelength of 0.15 μm to 6.0 μm as a material that does not absorb the lamp light as much as possible. ₂ O ₃ ) Is preferred. However, the combination of the type (wavelength) of the lamp light and the material of the transmission window 14 may be various as a wavelength capable of selectively heating the heating target substance and a material capable of transmitting light of that wavelength with little loss. .
[0066]
Next, an example in which material modification is performed by heat-treating a thin film using the above-described heat treatment apparatus will be described.
[0067]
1) Example of material modification by heat-treating a low dielectric constant film while keeping the periphery at a low temperature
In a semiconductor manufacturing process such as a transistor, a wiring process for forming a conductive metal wiring layer after forming a transistor structure on a wafer is generally referred to as BEOL (Back End Of Line). In BEOL, a tiger structure is already formed on the wafer in the tiger. Therefore, when heat treatment is performed, only the material to be heated is selectively heated while maintaining a relatively low temperature so as not to affect the transistor structure. It is preferable that the temperature is high.
[0068]
In addition, in a layer structure formed by BEOL (referred to as a BEOL structure), in order to achieve high-speed operation of the transistor, an interlayer insulating layer is formed of a low dielectric constant material (Low-k material), or a wiring layer is formed. Attempts have been made to form with a low resistance material. In addition, there is a demand for a qualitative improvement of the BEOL structure, such as improving the mechanical strength and adhesion of a structure formed using these materials.
[0069]
Therefore, various Low-k materials and various wiring layer materials have been tried, and the development of processes for reducing the circuit constant RC in the BEOL structure is underway. In reducing the circuit constant RC, the C reduction by the low-k material of the interlayer insulating layer is more effective than the R reduction by Cu as the wiring bulk material and TaN as the wiring barrier metal material.
[0070]
Therefore, in the material development of the interlayer insulating layer, the material itself is required to have a low dielectric constant. Next, it has been proposed to further reduce the dielectric constant by reducing the density of the low dielectric constant material. Here, when the material of the interlayer insulating layer has a low density, as a result, the mechanical strength of the interlayer insulating layer is lowered and the adhesion with the wiring material is also lowered. For this reason, it is preferable to heat-treat the interlayer insulating layer to improve the mechanical strength and improve the adhesion to the wiring material.
[0071]
Accordingly, there is a demand to heat-treat the interlayer insulating layer. The interlayer insulating layer is a layer formed on the transistor structure already formed in the FEOL (Front End Of Line) process. It is required to selectively heat only the interlayer insulating layer while keeping the portion around the interlayer insulating layer at a low temperature so as not to break.
[0072]
In order to identify a material suitable for an interlayer insulating layer, many types of low-k materials are tested to confirm the possibility of use, but it is also necessary to try to modify the material to a suitable material by performing a heat treatment at that time. There is. In general, the higher the heat treatment temperature, the greater the degree of material modification. In other words, the higher the processing temperature, the higher the possibility that a suitable material modification can be performed.
[0073]
However, in order not to affect the transistor structure formed by FEOL as described above, high temperature heat treatment cannot be performed in the BEOL process. That is, the conventional semiconductor manufacturing apparatus (heat treatment apparatus) is a heating method in which the entire processing chamber or the entire wafer is heated and, as a result, the target material on the wafer is heated. The portion was also heated at the same time, and the interlayer insulating layer could not be sufficiently modified.
[0074]
Therefore, by using the heat treatment apparatus according to the present invention described above, only the interlayer insulating layer is selectively heated, so that the interlayer insulating layer is modified to have desired characteristics.
[0075]
An SiOCH film is often used as a siloxane-based low dielectric constant material (Low-k material) for forming an interlayer insulating layer. The SiOCH film has Si—O bonds in the material structure, and there is a wavelength at which the absorption coefficient increases rapidly. FIG. 5 is a graph showing the absorption coefficient α of, for example, a V3D3V film. It can be seen that the absorption coefficient α rapidly increases between wavelengths of 8 μm and 10.5 μm because of the Si—O bond.
[0076]
Therefore, if the V3D3 film is radiantly heated by irradiating light with a wavelength in a range where the absorption coefficient increases, only the V3D3 film can be selectively heated. The absorption coefficient α of the V3D3 film has a peak near the wavelength of 9.5 μm, and this wavelength approximates the wavelength of the carbon dioxide laser light (9.6 to 10.6 μm) that is infrared laser light. .
[0077]
Therefore, by using a carbon dioxide gas laser as the laser source 5 of the heat treatment apparatus according to the present invention shown in FIG. 2, the V3D3 film, which is a Low-k film in the BEOL structure, can be selectively heated by irradiating the carbon dioxide laser light. it can. At this time, a TaN film or a Ta film, for example, is formed as a barrier metal under the V3D3 film, which is a low-k film, and a Cu film, for example, as a wiring layer is formed thereunder. Since the absorption coefficient of the film with respect to the wavelength of the carbon dioxide laser beam is much smaller than the absorption coefficient of the V3D3 film, only the V3D3 film is selectively and efficiently heated, and the temperature rises.
[0078]
After the V3D3 film reaches a predetermined temperature, the heated V3D3 film is cooled by reducing the irradiation energy of the carbon dioxide laser. Here, it is possible to cool at a large cooling rate by stopping the output of the carbon dioxide laser. That is, since only the V3D3 film is selectively heated, the portion around the V3D3 film remains at a low temperature, and the heat of the V3D3 film diffuses rapidly to the surroundings, so that the V3D3 film itself can be rapidly cooled. it can. On the other hand, the cooling rate is reduced by cooling the V3D3 film while maintaining the irradiation energy of the carbon dioxide laser to some extent. Therefore, after heating the V3D3 film to a predetermined temperature, the cooling rate of the V3D3 film can be controlled by reducing the carbon dioxide laser output while controlling it.
[0079]
By controlling the cooling rate, the crystal grain size of the V3D3 film can be controlled. That is, the particle size is reduced by rapidly cooling the V3D3 film, and the particle size is increased by gradually cooling the V3D3 film. Therefore, the density of the V3D3 film can be changed by controlling the cooling rate of the V3D3 film. The dielectric constant can be lowered by lowering the density of the V3D3 film. Further, by controlling the crystal grain size of the V3D3 film, the mechanical strength can be improved in the same manner as the phenomenon in which the austenite phase is transformed into the martensite phase in quenching of steel.
[0080]
Here, FIG. 6 shows the result of trial calculation of the melting time when the V3D3 film is irradiated with a carbon dioxide laser beam having a wavelength of 9.6 μm to 10.6 μm. The V3D3 film was formed on a TaN film or a Ta film, and the TaN film or Ta film was formed on a Cu film. The thickness of the V3D3 film was 0.1 μm, the thickness of the TaN film or Ta film was 250 mm, and the thickness of the Cu film was 800 mm. The above film was formed on a silicon substrate having a thickness of 840 μm, and the silicon substrate was placed on an aluminum bottom plate having a thickness of 5 mm. The transmission window was formed of germanium (Ge) with a surface coating. The energy density of the carbon dioxide laser beam is 1 × 10. ⁵ W / cm ² It was.
[0081]
In the example shown in FIG. 6, the absorption coefficient α of the V3D3 film which is a Low-k film is 9.8 × 10. ⁴ / Cm, 9.8 × 10 ³ / Cm, 9.8 × 10 ² / Cm, 9.8 × 10 / cm, the melting time of each layer was estimated. As a result, it was found that the V3D3 film melts in a much shorter time than other parts, regardless of the value of the absorption coefficient α of the V3D3 film. For example, even when the value of the absorption coefficient α of the V3D3 film is set to a small value of 9.8 × 10 / cm, the time until the V3D3 film is melted is 3.01 seconds. The time until melting of the TaN film or Ta film, which is the lower layer of the film, is 182 seconds.
[0082]
Therefore, it was confirmed that by irradiating the V3D3 film in the BEOL structure with the carbon dioxide laser beam, the V3D3 film can be selectively heated while keeping other portions at a low temperature.
[0083]
As described above, by using the heat treatment apparatus according to the present invention, only the low dielectric constant film is selectively radiantly heated by irradiating light having a wavelength at which the absorption coefficient of the low dielectric constant film becomes very large, and the cooling rate is increased. Can be controlled. As a result, it is possible to perform a modification that leads to a reduction in dielectric constant and an improvement in mechanical strength of a low dielectric constant film (Low-k film) such as a V3D3 film in a BEOL structure in a semiconductor structure such as a MOS transistor.
[0084]
The material modification by selective heating and cooling of the low dielectric constant film described above can be performed by the heat treatment apparatus shown in FIG. 2 using a carbon dioxide gas laser, but the light source is not limited to a laser, but an infrared lamp (IR lamp). It can also be performed by infrared irradiation. That is, instead of the heat treatment apparatus shown in FIG. 2, the heat treatment apparatus shown in FIG. 4 using an infrared lamp such as a ceramic coating lamp (wavelength 2 to 11 μm) as a lamp light source can be used. In this case, alumina (Al ₂ O ₃ ) May be used. The light transmission wavelength of alumina is 0.15 μm to 6.0 μm, and the wavelength range of light that can be transmitted is narrower than that of germanium. However, infrared lamp light can be used without problems because it has a lower energy density than carbon dioxide laser light. .
[0085]
Infrared lamps are irradiated with infrared rays to heat the low dielectric constant film in the transistor structure, and then cooled while controlling the irradiation energy small. Thereby, the effect similar to the selective heating and cooling by the above-mentioned laser beam irradiation can be acquired. By using an infrared lamp as a light source, it is possible to realize a heat treatment apparatus that is less expensive than when a laser source is used. Moreover, the manufacturing cost of the heat treatment apparatus can be further reduced by using an alumina transmission window.
[0086]
2) Example of material modification by heat-treating the barrier metal film while maintaining the periphery at a low temperature
As described above, in the BEOL process, a transistor structure is already formed on the wafer in the BEOL process, so that the transistor structure is relatively small so as not to affect the transistor structure when heat treatment is performed. It is preferable to selectively heat only the material to be heated while keeping it at a low temperature to increase the temperature.
[0087]
In a layer structure formed by BEOL (referred to as a BEOL structure), an attempt is made to form an interlayer insulating layer with a low dielectric constant material (Low-k material) in order to achieve high-speed operation of the transistor. Further, a TaN film or a Ta film, for example, is formed as a barrier metal film between the interlayer insulating layer (low dielectric constant film) and the wiring layer.
[0088]
In such a BEOL structure, it is required to improve the adhesion between the barrier metal film and the low dielectric constant film. Here, after the low dielectric constant film is formed on the barrier metal film, the vicinity of the interface between the barrier metal film and the low dielectric constant film is heated, thereby causing a chemical reaction at the interface and improving the adhesion. I found out that I could do it.
[0089]
Therefore, the upper part of the barrier metal film close to the interface between the barrier metal film and the low dielectric constant film and the lower part of the low dielectric constant film close to the interface are selectively heated to cause a chemical reaction at the interface. There is a request to make it. However, the barrier metal film and the low dielectric constant film are layers formed on the transistor structure already formed in the FEOL (Front End Of Line) process. It is required to selectively heat only the vicinity of the interface between the barrier metal film and the low dielectric constant film while keeping the portion at a low temperature.
[0090]
Here, it was found that the TaN film and the Ta film used as the barrier metal film have a characteristic of absorbing ultraviolet light. Therefore, in the heat treatment apparatus according to the present invention shown in FIG. 2, by using an excimer laser (wavelength of 0.249 μm or 0.38 μm) as the laser source 5, a barrier metal such as a TaN film or a Ta film in the BEOL structure is used. Selectively heat the membrane. As a result, the vicinity of the interface between the barrier metal film and the low dielectric constant film is heated to improve the adhesion.
[0091]
Here, FIG. 7 shows the result of trial calculation of the melting time of each layer when the low dielectric constant film (V3D3 film) in the BEOL structure is irradiated with ultraviolet laser light having a wavelength of 0.3 μm. The V3D3 film was formed on the TaN film or Ta film, which is a barrier metal film, and the TaN film or Ta film was formed on the Cu film. The thickness of the V3D3 film was 0.1 μm, the thickness of the TaN film or Ta film was 250 mm, and the thickness of the Cu film was 800 mm. The above film was formed on a 730 μm thick silicon substrate, and the silicon substrate was placed on an aluminum bottom plate having a thickness of 5 mm. The transmission window is made of calcium fluoride (CaF ₂ ). The energy density of the ultraviolet laser beam is 1 × 10 ⁵ W / cm ² It was.
[0092]
In the example shown in FIG. 7, the absorption coefficient α of the low dielectric constant film V3D3 film is 4.2 × 10. ⁴ / Cm and 4.2 / cm, and the absorption coefficient α of the TaN film or Ta film as the barrier metal film is 8.4 × 10 ⁶ / Cm and 8.4 × 10 ⁵ The melting time of each layer in the case of / cm was estimated. As a result, the TaN film or Ta film, which is a barrier metal film, has a much shorter time than the other parts, regardless of the values of the absorption coefficient α of the V3D3 film and the absorption coefficient α of the TaN film or Ta film. It was found that it melts.
[0093]
For example, the value of the absorption coefficient α of the V3D3 film is 4.2 × 10 ² / Cm and the TaN film or Ta film absorption coefficient value is 8.4 × 10 ⁶ In the case of / cm, the TaN film or the surface (interface) of the Ta film melts in 2.52 seconds, whereas the time until the upper V3D3 film melts is 10.2 seconds. Therefore, the TaN film or the Ta film can be selectively heated in a much shorter time than the upper V3D3 film, and the vicinity of the interface between the V3D3 film and the TaN film or the Ta film can be selectively heated.
[0094]
As described above, by using the heat treatment apparatus according to the present invention, only the barrier metal film can be selectively radiantly heated by irradiating light having a wavelength at which the absorption coefficient of the barrier metal film becomes very large. This improves adhesion between a barrier metal film such as a TaN film or a Ta film in a BEOL structure in a semiconductor structure such as a MOS transistor and a low dielectric constant film such as a V3D3 film formed thereon. The modification which leads to etc. can be performed.
[0095]
The above-described material modification (adhesion improvement) by selective heating of the barrier metal film can be performed by the heat treatment apparatus shown in FIG. 2 using an ultraviolet laser, but the ultraviolet light source (UV lamp) is not limited to a laser as a light source. ) Irradiation with ultraviolet rays. That is, instead of the heat treatment apparatus shown in FIG. 2, the heat treatment apparatus shown in FIG. 4 using an arc lamp (wavelength: 0.2 to 1.2 μm) or an infrared lamp such as a metal halide lamp as a lamp light source can be used. . In this case, calcium fluoride (CaF) is used as a material for forming the transmission window 4. ₂ ) Is preferably used.
[0096]
The low dielectric constant film in the BEOL structure in the transistor structure is irradiated with ultraviolet light from an ultraviolet lamp to selectively heat the barrier metal film thereunder, and then cooled while controlling the irradiation energy small. Thereby, the effect similar to the selective heating and cooling by the above-mentioned laser beam irradiation can be acquired. By using an ultraviolet lamp as a light source, it is possible to realize a heat treatment apparatus that is less expensive than when a laser source is used.
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the BEOL structure in the transistor structure, the material to be heated can be modified by selectively heating and cooling the material to be heated. Moreover, since it is selective heating, energy consumed for heating can be reduced, and energy saving and low-temperature heating of the semiconductor manufacturing apparatus can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a temperature rise in a layer structure when a layer structure in which a low dielectric constant film is formed on a silicon substrate is heated by irradiation with a carbon dioxide laser.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the heat treatment apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view of the heat treatment apparatus shown in FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an overall configuration of a heat treatment apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the absorption coefficient and wavelength of a V3D3 film.
FIG. 6 is a diagram showing a result of a trial calculation of a melting time when a low dielectric constant film is irradiated with a carbon dioxide laser beam.
FIG. 7 is a diagram showing a result of trial calculation of melting time when the barrier metal film is irradiated with ultraviolet laser light through a low dielectric constant film.
[Explanation of symbols]
1,11 Processing chamber
1a Ceiling wall
2,12 Susceptor
3 Susceptor moving mechanism
4,14 Transmission window
5 Laser source
6 Optical system
7,7a Laser light
8,18 Power controller
13 Susceptor rotation mechanism
15 lamp
16 Reflector
17 Lamp light

Claims (3)

A heat treatment method used for heat treatment of a film formed in a wiring process of a semiconductor manufacturing process,
Irradiating the film with light having a wavelength corresponding to the light absorption wavelength of the film formed in the wiring process of the semiconductor manufacturing process, and selectively heating the film with respect to the surrounding part;
The intensity of the irradiated light is controlled to cool the heated film by a heat transfer action to the surroundings.
Including
The film is a low dielectric constant film having a Si-O bond, the light is a carbon dioxide laser beam, and the dielectric constant and mechanical strength of the low dielectric constant film are changed by selectively heating the low dielectric constant film. ,
The heat treatment method, wherein the low dielectric constant film is a SiOCH film. A heat treatment method used for heat treatment of a film formed in a wiring process of a semiconductor manufacturing process,
Irradiating the film with light having a wavelength corresponding to the light absorption wavelength of the film formed in the wiring process of the semiconductor manufacturing process, and selectively heating the film with respect to the surrounding part;
The intensity of the irradiated light is controlled to cool the heated film by a heat transfer action to the surroundings.
Including
The film is a barrier metal film formed between a low dielectric constant film and a conductive layer, the light is ultraviolet laser light, and the barrier metal and the low dielectric constant are selectively heated by heating the barrier metal film. The heat processing method characterized by improving adhesiveness with a film | membrane. The heat treatment method according to claim 2 ,
The heat treatment method, wherein the barrier metal film is a TaN film or a Ta film, and the ultraviolet laser beam is an excimer laser beam.

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