JP5090091B2

JP5090091B2 - 表面処理装置及びこの表面処理装置を備えた半導体製造装置

Info

Publication number: JP5090091B2
Application number: JP2007183368A
Authority: JP
Inventors: 現示酒田; 高博中山; 正明平川; 智啓永田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2027-07-12
Also published as: JP2009021429A

Description

本発明は、表面処理装置及びこの表面処理装置を備えた半導体製造装置に関する。

近年の半導体装置の高集積化、微細化に伴い、層間絶縁膜の低誘電率化が求められており、例えば空孔が規則的に配列された多孔質薄膜が提案されている（特許文献１）。このような多孔質薄膜は、空孔率が高く、低誘電率化を図ることができるものの、半導体装置製作の際の種々の処理プロセスを経ると、空孔率が高いために空孔内に水などの浸入が生じ易く、また気相からの汚染も生じ易いことから、例えば空孔内にエッチング残渣等が付着して、比誘電率の上昇を招いたり、機械的強度の低下を招いたりするという不具合がある。

そこで、Ｓｉウェハ基板表面に、Ｓｉ−Ｏ結合を主成分とする骨格の周りに多数の空孔が配置された絶縁膜を形成した後、この絶縁膜表面に、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ）、ヘキサメチルシラザン（ＨＭＤＳ）、トリメチルクロロシラン（ＴＭＣＳ）分子のうちの少なくとも１種を含む原料ガスを接触させて表面処理することが特許文献２で知られている。

ここで、上記特許文献２記載の方法を実施する装置としては、所定の真空圧に保持可能な処理チャンバを有し、この処理チャンバ内に被処理物たる上記絶縁膜付きＳｉウェハが載置される基板ステージを設けると共に、この処理チャンバの側壁にストレート配管を介して気化器を接続し、この気化器で気化させた上記原料ガスを窒素ガスなどのキャリアガスにより基板表面に供給して接触させるように構成することが一般的である。
特開２００３−１７４８２号公報特開２００６−７３８００号公報

ところで、上記原料のうち例えばＴＭＣＴＳは、その沸点が１３０℃程度であり気化させ易いものの、重合し易いという性質がある。このため、気化器での気化が不十分になると、配管内で重合した物質がその配管に堆積し、この配管が詰まるばかりでなく、配管内で重合した物質が処理チャンバ内に持ち込まれたり、真空チャンバ内で重合してパーティクルの発生源となり、絶縁膜作製における製品歩留まりを低下させるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記点に鑑み、原料を確実に気化させることができ、配管や処理チャンバ内の汚染を防止して良好な表面処理を可能とする表面処理装置及びこの表面処理装置を備えた半導体製造装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の表面処理装置は、被処理物が配置される処理チャンバと、この処理チャンバに接続された気化器とを備え、この気化器に原料を供給して気化し、この気化した原料を被処理物表面に供給して接触させてその表面処理を行う表面処理装置において、前記気化器から処理チャンバ内に通じ被処理物に至る経路に原料が衝突する加熱体を設け、前記加熱体は、気化器と処理チャンバとを接続する配管に対して所定の角度で傾斜させて処理チャンバの壁に形成した傾斜通路と、この壁を所定の温度に加熱する加熱手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、処理チャンバ内に原料を導入する前に気化器を通った原料が、再度加熱体に衝突するようになる。このため、気化器において十分に気化しない原料があったとしても、加熱体に衝突することで完全に気化される。そして、完全に気化させた状態の原料のみが処理チャンバ内に導入されて被処理物に供給される。その結果、配管や処理チャンバ内の汚染を防止して良好な表面処理が可能となり、製品歩留まりを向上できる。また、この加熱体は、気化器と処理チャンバとを接続する配管に対して所定の角度で傾斜させて処理チャンバの壁に形成した傾斜通路と、この壁を所定の温度に加熱する加熱手段とを有する構成を採用すれば、気化器を通った原料が加熱体に衝突する形態を簡単な構造で実現でき、その製作も容易にできる。また、壁を加熱した際の熱伝導により配管自体も所定の温度に加熱されるため、重合した物質が配管に堆積して詰まったり、この物質が処理チャンバ内に持ち込まれパーティクルの発生源となったりすることが確実に防止される。

また、本発明においては、前記傾斜通路は、前記処理チャンバ内に配置された被処理物表面を指向するように形成され、前記被処理物を所定の回転速度で回転させる回転機構を設けた構成を採用すれば、原料を被処理物表面の全面に亘って略均等に接触させることができてよい。

この場合、前記処理チャンバの壁に、前記傾斜通路の出口部に対向させて真空排気手段に通じる排気口を形成しておけば、気化した原料を斜め方向から被処理物に供給したときに、斜入射することにより当該基板表面で反射した原料が排気口に向かって流れるようになる。このため、被処理物の表面処理に利用されなかった原料の大部分を処理チャンバ外側に排出することができ、原料の重合により処理チャンバ内が汚染されることをさらに防止できる。

さらに、上記課題を解決するために、本発明の半導体製造装置は、被処理物の搬送を可能とする搬送手段を有する搬送装置を備え、この搬送装置に、被処理物表面にＳｉ−Ｏ結合を主成分とする骨格の周りに多数の空孔が配置された膜を形成する絶縁膜形成装置と、請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面処理装置とを連結し、基板への絶縁膜形成直後に、テトラメチルシクロテトラシロキサン、ヘキサメチルシラザン、トリメチルクロロシラン分子のうちの少なくとも１種を含む原料ガスを接触させて表面処理するように構成したことを特徴とする。

以上説明したように、本発明の表面処理装置及びこの表面処理装置を備えた半導体製造装置では、原料を確実に気化させることができ、配管や処理チャンバ内の汚染を防止して良好な表面処理が可能となるという効果を奏する。

図１を参照して、１は、被処理物たる所定の基板Ｓに対して表面処理を行う本発明の表面処理装置である。表面処理装置１は、ターボ分子ポンプ、ロータリポンプなどの真空排気手段Ｖにより真空排気され、所定の真空圧に保持される処理チャンバ２を有する。処理チャンバ２の下側には、基板Ｓが載置される基板ステージ３が設けられている。基板ステージ３には、公知の構造の静電チャックが設けられ、被処理基板Ｓを吸着保持できる。また、基板ステージ３は、図示しないモータに連結された回転軸４に接続され、所定の回転速度で回転する。

ここで、基板Ｓは、例えば、Ｓｉウェハ表面にポーラスシリカ膜（Ｌｏｗ−Ｋ膜）を所定の厚さで形成したものであり、ポーラスシリカ膜は次のように作製される。即ち、界面活性剤として陽イオン型のセチルトリメチルアンモニウムブロマイド（ＣＴＡＢ：Ｃ１６Ｈ３３Ｎ＋（ＣＨ３）３Ｂｒ−）と、シリカ誘導体としてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ：Tetraethoxy Silane）と、酸触媒としての塩酸（HCl）とを、H2O/アルコール混合溶媒に溶解して形成した前駆体（プレカーサー）溶液に基板を浸せきし、３０から１５０℃で１時間乃至１２０時間保持することによりシリカ誘導体を加水分解重縮合反応で重合させて（予備架橋工程）、界面活性剤の周期的な自己凝集体を形成する。そして、基板を引き上げ、水洗、乾燥を行った後、公知の構造を有する加熱炉に収納し、４００℃の大気中または窒素雰囲気中で３時間焼成（膜中のメチル基、Ｃ、Ｈなどを放出する加熱処理）し、鋳型の界面活性剤を完全に熱分解除去してポーラスシリカ膜を得る。なお、ポーラスシリカ膜の形成に先立って、シリコンウエハ表面にエッチングストッパとして窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を所定の膜厚（例えば、５０ｎｍ）で形成してもよい。

処理チャンバ２の側壁２ａ（図１は、左側）には、略水平に設置されるストレート配管５を介して気化器６が接続されている。気化器６は、後述する液状の原料を供給する第１の配管７及び窒素ガスなどの不活性ガス（キャリアガス）を供給する第２の配管８が接続された混合室６１と、混合室６１に連続する気化室６２とを有する。ストレート配管５の一端が接続された気化室６２の周囲には、例えば抵抗加熱式の加熱手段６３が設けられ、この気化室６２内を所定の温度に加熱できるようになっている。

基板Ｓの表面処理を行う場合の原料として、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＭＣＴＳ）、ヘキサメチルシラザン（ＨＭＤＳ）、トリメチルクロロシラン（ＴＭＣＳ）分子のうちの少なくとも１種を含むものが用いられる（分子式については、特開２００６−７３８００号公報参照）。そして、第１及び第２の両配管７、８を介して上記液状の原料と窒素ガスとが混合室６１に供給すると、混合室６１内で両者が混合されて気化室６２に送られ、所定温度に加熱された気化室６２において原料が気化される。この気化した原料が窒素ガスによってストレート配管５を通って処理チャンバ２内に導入される。

処理チャンバ２の側壁２ａには、ストレート配管５に対して所定の角度で傾斜させて傾斜通路９が形成され、原料が傾斜通路９を通って被処理基板Ｓに供給されるようになっている。傾斜通路９は、基板ステージ３に吸着保持された上記基板Ｓ表面を指向するようにその傾斜角が設定されている。なお、傾斜通路９は、その出口側のみが上記のように基板Ｓ表面を指向するように形成してもよい。

また、傾斜通路９の周囲に位置して処理チャンバ２ａの側壁には、例えば抵抗加熱式の加熱手段１０が設けられ、傾斜通路９を含む側壁２ａを、例えば気化器６での加熱温度より高い温度で加熱できるようにしている。

ここで、上記原料のうち例えばＴＭＣＴＳは、その沸点が１３０℃程度であり気化させ易いものの、重合し易いという性質がある。このため、気化器６での気化が不十分になると、重合した物質がストレート配管５に堆積し、このストレート配管５が詰まるばかりでなく、重合した物質が処理チャンバ２内に持ち込まれたり、処理チャンバ２内で重合してパーティクルの発生源となり、良好な表面処理が妨げられる虞がある。

そこで、上記のように加熱可能な傾斜通路９を設けたことで、つまり、原料が処理チャンバ２内に導入される前に気化した原料の進路を屈曲させることで、気化器６からの原料が、加熱された側壁２ａである加熱体に一旦衝突するようになる。このため、気化器６において十分に気化しない原料があったとしても、側壁２ａに衝突した際に完全に気化される。そして、完全に気化させた状態の原料のみが処理チャンバ２内に導入される。この場合、側壁２ａの加熱による熱伝導によりストレート配管５自体も所定の温度に加熱されるため、重合した物質が配管５に堆積して詰まったり、この物質が処理チャンバ２内に持ち込まれパーティクルの発生源となることが確実に防止され、配管５や処理チャンバ２内の汚染を防止して良好な表面処理が可能となり、製品歩留まりを向上できる。

また、傾斜通路９の少なくとも出口部９ａが基板Ｓ表面を指向させ、基板Ｓを保持する基板ステージ３を所定の速度で回転させながら傾斜通路９を経て原料を供給すれば、原料を基板Ｓの全面に亘って略均一に接触させることができる。

これにより、Ｓｉ−Ｏ結合を主成分とする骨格の周りに多数の空孔が配置された誘電体膜で絶縁膜を構成できることから、空気の誘電率は低いため誘電率を大幅に低下できる。そして、焼成の際に生じたプロセスダメージに対しては、ＴＭＣＴＳ、ＨＭＤＳ、ＴＭＣＳ分子のうちの少なくとも１種を含む原料ガスを接触させて、基板Ｓ表面で重合した物質によりその表面を覆うことで、良好な回復状態（リカバリー）を得ることができ、成膜直後の絶縁膜の極限的な低誘電率を維持できるだけでなく、機械的強度が高く、信頼性の高い絶縁膜が得られる。

また、真空排気手段Ｖが接続される排気口Ｖ１は、傾斜通路９が形成された側壁２ａに対向させて設けられている。この場合、排気口Ｖ１の高さ位置は、気化した原料を斜め上方から基板Ｓに供給したときに、斜入射することにより当該基板Ｓ表面で反射した原料が排気口Ｖ１に向かって流れるように設定されている。これにより、基板Ｓの表面処理に利用されなかった原料の大部分を処理チャンバ２外側に排出することができ、原料の重合により処理チャンバ２内が汚染されることをさらに防止できる。

なお、本実施の形態においては、上記のような原料を供給して絶縁膜たるポーラスシリカ膜の表面処理を行う場合について説明したが、これに限定されるものではなく、液状の原料を気化させて基板表面に供給し、原料を吸着等させて所定の層を形成したり、基板表面に形成した薄膜の改質を行うもの等に本発明の表面処理装置は適用できる。

また、本発明の実施の形態においては、上記のように作製したポーラスシリカ膜を用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、絶縁膜として、本出願人によって既に出願された特開２００６−２６５３５０号公報記載のように、アルコキシラン系の塗布液に界面活性剤等を含んだ塗布剤を基板表面に塗布し、平滑化した後に、所定温度で焼成して得たものを用いることができる。

この場合、基板Ｓ表面への絶縁膜の形成から当該絶縁膜の表面処理までの一連の処理を枚葉式で実施できるように半導体製造装置を構成してもよい。図２を参照して、半導体製造装置２０は、公知の構造を有する多関節式の搬送アーム３１が設けられた搬送チャンバ（搬送装置）３０を有する。搬送チャンバ３０には、上記と同様、基板Ｓ表面に低誘電率の層間絶縁膜が形成される絶縁膜形成装置４０と、上記表面処置装置１とがゲートバルブＧを介して連結されている。

図３を参照して、絶縁膜形成装置４０は、処理チャンバ４１を有し、この処理チャンバ４１には、基板Ｓを回転自在に水平保持する基板ステージ（スピンヘッド）４２と、所定の液状塗布剤を基板Ｓに滴下するノズル（図示せず）とが設けられている。また、塗布剤の種類に応じて、基板Ｓに紫外線を照射して塗布剤を重合するために、基板ステージ４２に対向した処理チャンバ４１の上壁は、石英からなる透光窓４３で構成され、処理チャンバ４３上方に配置した公知の構造の紫外線ランプ４４を介して基板ステージ３上の基板Ｓに対し紫外線が照射できる。

この場合、高い強度を維持したまま紫外線を照射できるように、基板ステージ４２にはシリンダ等の昇降手段（図示せず）が連結され、基板ステージ４２に基板Ｓを載置した後に所定の塗布材を塗布し、ステージを回転させてその平滑化を行う下降位置と、紫外光照射時に紫外線ランプに基板を近づけて紫外線が照射される上昇位置との間で昇降自在としている。

他方で、塗布剤の種類に応じて焼成を行うために、処理チャンバ４１内には、例えば赤外線ランプからなる加熱手段（図示せず）が設けられ、基板Ｓへの紫外線の照射と共に、または紫外線照射なしに基板Ｓを所定温度に加熱できる（焼成処理）。また、処理チャンバに、窒素ガスなどの不活性ガスを導入するガス導入手段を接続し、窒素ガス雰囲気中で所定の処理ができるようにしてもよい。

そして、搬送チャンバ３０内の搬送アーム３１によって一枚の基板Ｓを絶縁膜形成装置４０の処理チャンバ４１内に搬送し、スピンコート法で所定の絶縁膜を形成し、焼成処理した後、搬送アームによって処理チャンバ４１から基板Ｓを取り出し、表面処理装置１に搬送する。この表面処理装置１においては、基板への絶縁膜形成直後に、テトラメチルシクロテトラシロキサン、ヘキサメチルシラザン、トリメチルクロロシラン分子のうちの少なくとも１種を含む原料ガスを接触させて表面処理が行われる。

さらに、本実施の形態においては、処理チャンバ２の側壁２ａに傾斜通路９を形成すると共に、処理チャンバ２ａの側壁に加熱手段１０が設けて加熱体を構成したものを例に説明したが、気化器６から処理チャンバ内２に通じ基板Ｓに至る経路で原料が衝突するものであれば、加熱体の構成は、これに限定されるものではない。

図４に示すように、ストレート配管５の延長上であって基板ステージ３に保持された基板Ｓの上方に位置して反射板５１を、処理チャンバ２内で傾斜させて配置すると共に、この反射板５０を、上記と同様に所定の温度まで加熱する抵抗加熱式の加熱手段５１を設けて加熱体５０を構成することもできる。

本発明の表面処理装置の模式的断面図。本発明の表面処理装置を備えた半導体製造装置の構成を説明する図。図２に示す半導体製造装置を構成する絶縁膜形成装置の模式的断面図。本発明の他の変形例に係る表面処理装置の模式的断面図。

符号の説明

１表面処理装置
２処理チャンバ
２ａ側壁
３基板ステージ
４回転軸
５ストレート配管
６気化器
９傾斜通路（加熱体）
１０加熱手段（加熱体）

Claims

被処理物が配置される処理チャンバと、この処理チャンバに接続された気化器とを備え、この気化器に原料を供給して気化し、この気化した原料を被処理物表面に供給して接触させてその表面処理を行う表面処理装置において、
前記気化器から処理チャンバ内に通じ被処理物に至る経路に原料が衝突する加熱体を設け、
前記加熱体は、前記気化器と前記処理チャンバとを接続する配管に対して所定の角度で傾斜させて処理チャンバの壁に形成した傾斜通路と、この壁を所定の温度に加熱する加熱手段とを有することを特徴とする表面処理装置。
前記傾斜通路は、前記処理チャンバ内に配置された被処理物表面を指向するように形成され、前記被処理物を所定の回転速度で回転させる回転機構を設けたことを特徴とする請求項１記載の表面処理装置。
前記処理チャンバの壁に、前記傾斜通路の出口部に対向させて真空排気手段に通じる排気口を形成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の表面処理装置。
被処理物の搬送を可能とする搬送手段を有する搬送装置を備え、この搬送装置に、被処理物表面にＳｉ−Ｏ結合を主成分とする骨格の周りに多数の空孔が配置された膜を形成する絶縁膜形成装置と、請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面処理装置とを連結し、基板への絶縁膜形成直後に、テトラメチルシクロテトラシロキサン、ヘキサメチルシラザン、トリメチルクロロシラン分子のうちの少なくとも１種を含む原料ガスを接触させて表面処理するように構成したことを特徴とする半導体製造装置。