JP7242475B2 - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ヘミセルロース等の樹脂膜が形成された基板を加熱する熱処理方法および熱処理装置に関する。
半導体基板のドライエッチングのために耐性に優れたハードマスクが使用されることがある。従来、ハードマスクの材料としては例えばアモルファスカーボンが用いられていた（特許文献１，２参照）。
しかし、アモルファスカーボンを用いたハードマスクの形成には、アスペクト比が大きくなるほどアモルファスカーボンの積層も厚くなって処理時間が長くなり、製造コストが大きくなる問題を有している。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、安価な製造コストでハードマスクを形成することができる熱処理方法および熱処理装置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、樹脂膜が形成された基板を加熱する熱処理方法において、表面に金属が含浸された樹脂膜が形成された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て前記樹脂膜を臨界温度よりも高い温度に１秒以下加熱する主加熱工程と、前記主加熱工程の前に、前記樹脂膜を前記臨界温度以下に加熱する予備加熱工程と、前記チャンバーからの排気中に含まれる揮発性有機化合物を検出する検出工程と、を備え、前記予備加熱工程の実行中に基準値以上の揮発性有機化合物が検出されたときには前記主加熱工程を中止することを特徴とする。
また、請求項２の発明は、樹脂膜が形成された基板を加熱する熱処理方法において、表面に金属が含浸された樹脂膜が形成された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て前記樹脂膜を臨界温度よりも高い温度に１秒以下加熱する主加熱工程と、を備え 前記樹脂膜は、ヘミセルロース、フェノール樹脂またはフラーレン誘導体の膜であ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の発明に係る熱処理方法において、前記臨界温度は２００℃であり、前記主加熱工程では、前記樹脂膜を５００℃以下に加熱す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熱処理方法において、前記主加熱工程では、フラッシュランプから前記樹脂膜に５Ｊ／ｃｍ２以上６０Ｊ／ｃｍ２以下の照射エネルギーにてフラッシュ光を照射することを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項４の発明に係る熱処理方法において、前記チャンバーの照射窓に沿って不活性ガスを５０リットル／分以上１５０リットル／分以下流すことを特徴とする。
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熱処理方法において、前記チャンバー内を減圧する減圧工程をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項７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熱処理方法において、前記チャンバー内を加圧する加圧工程をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項８の発明は、樹脂膜が形成された基板を加熱する熱処理装置において、表面に金属が含浸された樹脂膜が形成された基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて前記基板を支持するステージと、前記チャンバー内にて前記樹脂膜を臨界温度よりも高い温度に１秒以下加熱する主加熱機構と、前記ステージ内に、前記主加熱機構による加熱の前に前記樹脂膜を前記臨界温度以下に加熱する予備加熱機構と、前記チャンバーからの排気配管に揮発性有機化合物を検出する検出器と、を備え、前記予備加熱機構による加熱を行っているときに前記検出器が基準値以上の揮発性有機化合物を検出したときには前記主加熱機構による加熱を中止することを特徴とする。
また、請求項９の発明は、樹脂膜が形成された基板を加熱する熱処理装置において、表面に金属が含浸された樹脂膜が形成された基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて前記基板を支持するステージと、前記チャンバー内にて前記樹脂膜を臨界温度よりも高い温度に１秒以下加熱する主加熱機構と、を備え、前記樹脂膜は、ヘミセルロース、フェノール樹脂またはフラーレン誘導体の膜であることを特徴とする。
また、請求項１０の発明は、請求項８の発明に係る熱処理装置において、前記ステージ内に冷却機構をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項１１の発明は、請求項８の発明に係る熱処理装置において、前記チャンバーまたは前記排気配管に安全逃がし弁を備えることを特徴とする。
また、請求項１２の発明は、請求項８から請求項１１のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記臨界温度は２００℃であり、前記主加熱機構は前記樹脂膜を５００℃以下に加熱することを特徴とする。
また、請求項１３の発明は、請求項８から請求項１２のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記主加熱機構はフラッシュランプを備え、前記フラッシュランプから前記樹脂膜に５Ｊ／ｃｍ２以上６０Ｊ／ｃｍ２以下の照射エネルギーにてフラッシュ光を照射することを特徴とする。
また、請求項１４の発明は、請求項１３の発明に係る熱処理装置において、前記チャンバーは、前記フラッシュ光を透過する照射窓を備え、前記照射窓に沿って不活性ガスを５０リットル／分以上１５０リットル／分以下流すガス供給部をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項１５の発明は、請求項８から請求項１４のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記チャンバー内を減圧する減圧機構をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項１６の発明は、請求項８から請求項１４のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記チャンバー内を加圧する加圧機構をさらに備えることを特徴とする。
請求項１から請求項７の発明によれば、安価な樹脂を用いて安価な製造コストでハードマスクを形成することができる。また、表面に金属が含浸された樹脂膜を臨界温度よりも高い温度に１秒以下加熱するため、樹脂膜を熱分解させることなく金属を樹脂膜中に拡散させて樹脂膜を十分に硬化させることができる。また、予備加熱工程の実行中に基準値以上の揮発性有機化合物が検出されたときには主加熱工程を中止するため、樹脂膜の不具合に起因した加熱処理の不良を未然に防止することができる。
特に、請求項５の発明によれば、チャンバーの照射窓に沿って不活性ガスを流すため、照射窓への有機物の付着を防止することができる。
請求項８から請求項１６の発明によれば、安価な樹脂を用いて安価な製造コストでハードマスクを形成することができる。また、表面に金属が含浸された樹脂膜を臨界温度よりも高い温度に１秒以下加熱するため、樹脂膜を熱分解させることなく金属を樹脂膜中に拡散させて樹脂膜を十分に硬化させることができる。また、予備加熱機構による加熱を行っているときに検出器が基準値以上の揮発性有機化合物を検出したときには主加熱機構による加熱を中止するため、樹脂膜の不具合に起因した加熱処理の不良を未然に防止することができる。
特に、請求項１０の発明によれば、ステージ内に冷却機構をさらに備えるため、ステージを一定温度に温調でき、連続処理する基板の熱履歴を均一にすることができる。
特に、請求項１１の発明によれば、チャンバーまたは排気配管に安全逃がし弁を備えるため、チャンバー内の圧力が過大となるのを防いで熱処理装置の安全性を向上させることができる。
特に、請求項１４の発明によれば、チャンバーの照射窓に沿って不活性ガスを流すため、照射窓への有機物の付着を防止することができる。
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、本発明に係る熱処理装置１の要部構成を示す図である。この熱処理装置１は、樹脂膜が形成された半導体ウェハー等の基板に光を照射することによって、その樹脂膜を加熱する装置である。熱処理装置１は、主たる要素として、半導体ウェハーＷを収容するチャンバー１０と、チャンバー１０内にて半導体ウェハーＷを支持するステージ２０と、ステージ２０に支持された半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射する加熱光源３０と、を備える。また、熱処理装置１は、装置に設けられた各種動作機構を制御して処理を進行させる制御部３を備える。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。
チャンバー１０は、加熱光源３０の下方に設けられており、略円筒形状のチャンバー側壁１１およびチャンバー底部１２によって構成される。チャンバー底部１２は、チャンバー側壁１１の下部を覆う。チャンバー側壁１１およびチャンバー底部１２によって囲まれる空間が熱処理空間１５として規定される。また、チャンバー１０の上部開口にはチャンバー窓１８が装着されて閉塞されている。
チャンバー１０の天井部を構成するチャンバー窓１８は、石英により形成された板状部材であり、加熱光源３０から照射された光を熱処理空間１５に透過する石英窓として機能する。チャンバー１０の本体を構成するチャンバー側壁１１およびチャンバー底部１２は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されている。
チャンバー側壁１１の一部には、半導体ウェハーＷをチャンバー１０内に搬入およびチャンバー１０から搬出するための図示省略の搬送開口部が形成されている。当該搬送開口部は、ゲートバルブによって開閉される。当該搬送開口部が開放されているときには当該搬送開口部から半導体ウェハーＷの搬入および搬出が可能で有り、当該搬送開口部が閉鎖されているときには熱処理空間１５が密閉空間となる。
また、熱処理空間１５の機密性を維持するために、チャンバー窓１８とチャンバー側壁１１とは図示省略のＯリングによってシールされている。すなわち、チャンバー窓１８とチャンバー側壁１１との間にＯリングを挟み込み、これらの隙間から気体が流出入するのを防いでいる。チャンバー１０は、耐圧使用とされており、チャンバー１０内の熱処理空間１５を大気圧よりも大きな気圧に加圧、または、大気圧未満の気圧に減圧することも可能である。
チャンバー１０の内部にはステージ２０が設けられている。ステージ２０は、金属製（例えば、アルミニウム製）の平坦な板状部材である。ステージ２０は、チャンバー１０内にて半導体ウェハーＷを載置して水平姿勢（半導体ウェハーＷの法線が鉛直方向と一致する姿勢）に支持する。また、ステージ２０はヒータ２１および冷却配管２２を内蔵する。ヒータ２１は、ニクロム線などの抵抗加熱線で構成されている。ヒータ２１は、図外の電力供給源からの電力供給を受けて発熱し、ステージ２０を加熱する。一方、冷却配管２２に図外の冷却水供給機構から一定温度の冷却水が循環供給されることによって、ステージ２０が冷却される。
ステージ２０には、熱電対を用いて構成された図示省略の温度センサが設けられている。温度センサはステージ２０の上面近傍の温度を測定し、その測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、温度センサによる測定結果に基づいて、ヒータ２１の出力および冷却配管２２への冷却水供給を制御し、ステージ２０の温度を所定温度に温調する。ステージ２０に支持された半導体ウェハーＷは、ステージ２０によって所定の温度に加熱されることとなる。なお、ステージ２０の上面には、当該上面から微小間隔を隔てて半導体ウェハーＷを支持するための複数の支持ピンが立設されていても良い。
また、熱処理装置１は、チャンバー１０内の熱処理空間１５に処理ガスを供給する第１ガス供給機構４０および熱処理空間１５から雰囲気の排気を行う排気機構５０を備える。第１ガス供給機構４０は、処理ガス供給源４１、供給配管４２および供給バルブ４３を備える。供給配管４２の先端側はチャンバー１０内の熱処理空間１５に連通接続され、基端側は処理ガス供給源４１に接続される。供給配管４２の経路途中に供給バルブ４３が設けられる。供給バルブ４３を開放することによって、処理ガス供給源４１から熱処理空間１５に処理ガスが供給される。処理ガス供給源４１は、被処理体８の種類や処理目的に応じた適宜の処理ガスを供給することが可能であるが、本実施形態では窒素ガス（Ｎ２）を供給する。
排気機構５０は、排気装置５１、排気配管５２、排気バルブ５３、検出器５４およびリリーフ弁５５を備える。排気配管５２の先端側はチャンバー１０内の熱処理空間１５に連通接続され、基端側は排気装置５１に接続される。排気配管５２の経路途中に排気バルブ５３および検出器５４が設けられる。排気装置５１としては、真空ポンプや熱処理装置１が設置される工場の排気ユーティリティを用いることができる。排気装置５１を作動させつつ、排気バルブ５３を開放することによって、熱処理空間１５の雰囲気を装置外に排出することができる。
検出器５４は、排気配管５２を流れる気体に含まれる揮発性有機化合物(VOC:Volatile Organic Compounds)を検出する。揮発性有機化合物は、揮発性を有する気体状の有機化合物の総称である。
さらに、排気配管５２は、その経路途中から二叉に分岐され、その分岐配管の先端側は開放端となっている。リリーフ弁５５は排気配管５２の分岐配管に設けられる。リリーフ弁５５は、何らかの要因によってチャンバー１０内の圧力が過大になったときに、自動的に開いてチャンバー１０内の圧力を逃がす安全逃がし弁である。
上記の第１ガス供給機構４０および排気機構５０によって、熱処理空間１５の雰囲気を調整することができる。また、第１ガス供給機構４０からガス供給を行うことなく、排気機構５０によって熱処理空間１５の気体を排気することにより、チャンバー１０内を大気圧未満に減圧することができる。逆に、排気バルブ５３を閉止して熱処理空間１５の気体を排気することなく、第１ガス供給機構４０から熱処理空間１５にガス供給を行うことにより、チャンバー１０内を大気圧を超えて加圧することができる。
また、熱処理装置１には、第１ガス供給機構４０に加えて、チャンバー窓１８に沿って不活性ガスを流す第２ガス供給機構６０が設けられている。第２ガス供給機構６０は、不活性ガス供給源６１、供給配管６２および供給バルブ６３を備える。供給配管６２の先端側はチャンバー１０内であってチャンバー窓１８の端縁部直下に連通接続され、基端側は不活性ガス供給源６１に接続される。供給配管６２の経路途中に供給バルブ６３が設けられる。供給バルブ６３を開放することによって、不活性ガス供給源６１から熱処理空間１５に不活性ガスが供給される。不活性ガス供給源６１から供給される不活性ガスは、例えば窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）等である（本実施形態では窒素ガス）。第２ガス供給機構６０から供給された不活性ガスは、チャンバー窓１８の下面（熱処理空間１５に臨む面）に沿って流れる。
加熱光源３０は、チャンバー１０の上方に設けられている。加熱光源３０は、複数本（図１では図示の便宜上１０本としているが、これに限定されるものではない）のフラッシュランプＦＬと、それら全体の上方を覆うように設けられたリフレクタ３９と、を備えて構成される。加熱光源３０は、チャンバー１０内にてステージ２０に支持される半導体ウェハーＷに対して石英のチャンバー窓１８を介してフラッシュランプＦＬから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ステージ２０に支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。
図２は、フラッシュランプＦＬの駆動回路を示す図である。同図に示すように、コンデンサ９３と、コイル９４と、フラッシュランプＦＬと、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）９６とが直列に接続されている。また、図２に示すように、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備えるとともに、入力部３３および表示部３４に接続されている。入力部３３としては、キーボード、マウス等の種々の公知の入力機器を採用することができる。表示部３４としては、ディスプレイ等の公知の表示機器を用いることができる。入力部３３および表示部３４を入力機能と表示機能とを併せ持つタッチパネルとしても良い。入力部３３からの入力内容に基づいて波形設定部３２がパルス信号の波形を設定し、その波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を発生する。
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陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）９２と、該ガラス管９２の外周面上に付設されたトリガー電極９１とを備える。コンデンサ９３には、電源ユニット９５によって所定の電圧が印加され、その印加電圧（充電電圧）に応じた電荷が充電される。また、トリガー電極９１にはトリガー回路９７から高電圧を印加することができる。トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングは制御部３によって制御される。
ＩＧＢＴ９６は、ゲート部にＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）を組み込んだバイポーラトランジスタであり、大電力を取り扱うのに適したスイッチング素子である。ＩＧＢＴ９６のゲートには制御部３のパルス発生器３１からパルス信号が印加される。ＩＧＢＴ９６のゲートに所定値以上の電圧（Highの電圧）が印加されるとＩＧＢＴ９６がオン状態となり、所定値未満の電圧（Lowの電圧）が印加されるとＩＧＢＴ９６がオフ状態となる。このようにして、フラッシュランプＦＬを含む駆動回路はＩＧＢＴ９６によってオンオフされる。ＩＧＢＴ９６がオンオフすることによってフラッシュランプＦＬと対応するコンデンサ９３との接続が断続され、フラッシュランプＦＬに流れる電流がオンオフ制御される。
コンデンサ９３が充電された状態でＩＧＢＴ９６がオン状態となってガラス管９２の両端電極に高電圧が印加されたとしても、キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路９７がトリガー電極９１に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には両端電極間の放電によってガラス管９２内に電流が瞬時に流れ、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。
図２に示すような駆動回路は、加熱光源３０に設けられた複数のフラッシュランプＦＬのそれぞれに個別に設けられている。よって、複数のフラッシュランプＦＬのそれぞれに流れる電流が対応するＩＧＢＴ９６によって個別にオンオフ制御されることとなる。
また、リフレクタ３９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３９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１５の側に反射するというものである。リフレクタ３９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。
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。また、上述のように制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備え、入力部３３からの入力内容に基づいて、波形設定部３２がパルス信号の波形を設定し、それに従ってパルス発生器３１がＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を出力する。
上記の構成以外にも熱処理装置１には、種々の構成要素が適宜設けられる。例えば、フラッシュランプＦＬからの光照射による過剰な温度上昇を防止するために、チャンバー側壁１１に水冷管を設けるようにしても良い。また、ステージ２０には、装置外部の搬送ロボットとの間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行うために昇降するリフトピンが設けられる。
次に、上記構成を有する熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。図３は、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順を示すフローチャートである。以下に説明する熱処理装置１の処理手順は、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。
熱処理装置１における処理に先立って半導体ウェハーＷにはヘミセルロースの樹脂膜が形成されている。図４は、熱処理装置１に搬入される半導体ウェハーＷの断面構造を示す図である。シリコンの基材１０１上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の下層膜１０２が成膜されている。そして、下層膜１０２上にパターニングされたヘミセルロース膜１０３が形成されている。ヘミセルロース膜１０３は、例えばスピンコートによって成膜された後、レジストをマスクとした反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)によってパターニングされる。パターニングされたヘミセルロース膜１０３の表面にはアルミニウム（Ａｌ）等の金属が含浸されている。表面に金属が含浸されたヘミセルロース膜１０３が熱処理装置１による熱処理によって硬化されてハードマスクとなる。熱処理装置１における処理の後工程では、ヘミセルロース膜１０３をマスクとして下層膜１０２の反応性イオンエッチングが行われる。
本発明に係る熱処理方法においては、まず図４に示すような構造を有する半導体ウェハーＷが熱処理装置１のチャンバー１０内に搬入される（ステップＳ１）。具体的には、熱処理装置１外部の搬送ロボットによって半導体ウェハーＷが図示省略の搬送開口部を介してチャンバー１０内に搬入され、ステージ２０上に載置・支持される（ステップＳ２）。
半導体ウェハーＷがステージ２０に支持された後、チャンバー１０内の熱処理空間１５が密閉空間とされる。そして、チャンバー１０内には第１ガス供給機構４０から窒素ガスが供給されるとともに、チャンバー１０内の雰囲気は排気機構５０によって排気される。これにより、チャンバー１０内は窒素雰囲気に置換される。なお、本実施形態においては、チャンバー１０内は大気圧に維持されている。
図５は、半導体ウェハーＷの温度変化を示す図である。図５には、ヘミセルロース膜１０３を含む半導体ウェハーＷの表面の温度を示している。時刻ｔ１に、図４に示す構造を有する半導体ウェハーＷがチャンバー１０内に搬入されてステージ２０上に支持される。ステージ２０は内蔵するヒータ２１によって所定温度（本実施形態では１００℃）に温調されている。温調されたステージ２０に半導体ウェハーＷが支持されることによって、ヘミセルロース膜１０３を含む半導体ウェハーＷの全体が予備加熱される（ステップＳ３）。
ヒータ２１によって半導体ウェハーＷは予備加熱温度Ｔ１に予備加熱される。予備加熱温度Ｔ１は２００℃以下であり、本実施形態では１００℃である。半導体ウェハーＷが予備加熱されることによって、ヘミセルロース膜１０３も窒素雰囲気中で予備加熱温度Ｔ１に加熱されることとなる。
半導体ウェハーＷが予備加熱されている間も第１ガス供給機構４０からチャンバー１０内に窒素ガスが供給されるとともに、排気機構５０によってチャンバー１０内の雰囲気が排気され続けている。チャンバー１０から排気配管５２に流れ込んだ排気気流に含まれる揮発性有機化合物が検出器５４によって検出される。ヘミセルロース膜１０３には、成膜時の有機溶剤（例えば、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)等）が含まれている。ヘミセルロース膜１０３が加熱されると、そのような有機溶剤の成分が揮発性有機化合物として熱処理空間１５に放出され、さらに排気配管５２へと排出される。検出器５４は、ヘミセルロース膜１０３から放出された揮発性有機化合物を検出することとなる。
予備加熱中に検出器５４が予め設定されている基準値以上の揮発性有機化合物を検出したときには、半導体ウェハーＷに形成されているヘミセルロース膜１０３が異常である可能性が高い。例えば、ヘミセルロース膜１０３に多量の有機溶剤が残留している可能性がある。このため、予備加熱時に検出器５４が基準値以上の揮発性有機化合物を検出したときには、制御部３が後続のフラッシュ光照射による加熱を中止して熱処理装置１を停止するとともに、表示部３４にアラームを発報する。
半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達してから所定時間が経過した時刻ｔ２に、加熱光源３０のフラッシュランプＦＬがステージ２０に支持された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射する（ステップＳ４）。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１０内へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ３９により反射されてからチャンバー１０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。
フラッシュランプＦＬがフラッシュ光照射を行うに際しては、予め電源ユニット９５によってコンデンサ９３に電荷を蓄積しておく。そして、コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にて、制御部３のパルス発生器３１からＩＧＢＴ９６にパルス信号を出力してＩＧＢＴ９６をオンオフ駆動する。
パルス信号の波形は、パルス幅の時間（オン時間）とパルス間隔の時間（オフ時間）とをパラメータとして順次設定したレシピを入力部３３から入力することによって規定することができる。このようなレシピをオペレータが入力部３３から制御部３に入力すると、それに従って制御部３の波形設定部３２はオンオフを繰り返すパルス波形を設定する。そして、波形設定部３２によって設定されたパルス波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を出力する。ＩＧＢＴ９６のゲートにはオンオフを繰り返すパルス信号が印加され、ＩＧＢＴ９６のオンオフ駆動が制御されることとなる。具体的には、ＩＧＢＴ９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはＩＧＢＴ９６がオン状態となり、パルス信号がオフのときにはＩＧＢＴ９６がオフ状態となる。
また、パルス発生器３１から出力するパルス信号がオンになるタイミングと同期して制御部３がトリガー回路９７を制御してトリガー電極９１に高電圧（トリガー電圧）を印加する。コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にてＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号が入力され、かつ、そのパルス信号がオンになるタイミングと同期してトリガー電極９１に高電圧が印加されることにより、パルス信号がオンのときにはガラス管９２内の両端電極間で電流が流れ、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。
このようにして加熱光源３０の複数本のフラッシュランプＦＬが発光し、ステージ２０に支持された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光が照射される。ここで、ＩＧＢＴ９６を使用することなくフラッシュランプＦＬを発光させた場合には、コンデンサ９３に蓄積されていた電荷が１回の発光で消費され、フラッシュランプＦＬからの出力波形は幅が０．１ミリ秒ないし１０ミリ秒程度の単純なシングルパルスとなる。これに対して、本実施の形態では、回路中にスイッチング素子たるＩＧＢＴ９６を接続してそのゲートにパルス信号を出力することにより、コンデンサ９３からフラッシュランプＦＬへの電荷の供給をＩＧＢＴ９６によって断続してフラッシュランプＦＬに流れる電流をオンオフ制御している。その結果、いわばフラッシュランプＦＬの発光がチョッパ制御されることとなり、コンデンサ９３に蓄積された電荷が分割して消費され、極めて短い時間の間にフラッシュランプＦＬが点滅を繰り返す。なお、回路を流れる電流値が完全に”０”になる前に次のパルスがＩＧＢＴ９６のゲートに印加されて電流値が再度増加するため、フラッシュランプＦＬが点滅を繰り返している間も発光出力が完全に”０”になるものではない。
ＩＧＢＴ９６によってフラッシュランプＦＬに流れる電流をオンオフ制御することにより、フラッシュランプＦＬの発光パターン（発光出力の時間波形）を自在に規定することができ、発光時間および発光強度を自由に調整することができる。ＩＧＢＴ９６のオンオフ駆動のパターンは、入力部３３から入力するパルス幅の時間とパルス間隔の時間とによって規定される。すなわち、フラッシュランプＦＬの駆動回路にＩＧＢＴ９６を組み込むことによって、入力部３３から入力するパルス幅の時間とパルス間隔の時間とを適宜に設定するだけで、フラッシュランプＦＬの発光パターンを自在に規定することができるのである。
具体的には、例えば、入力部３３から入力するパルス間隔の時間に対するパルス幅の時間の比率を大きくすると、フラッシュランプＦＬに流れる電流が増大して発光強度が強くなる。逆に、入力部３３から入力するパルス間隔の時間に対するパルス幅の時間の比率を小さくすると、フラッシュランプＦＬに流れる電流が減少して発光強度が弱くなる。また、入力部３３から入力するパルス間隔の時間とパルス幅の時間の比率を適切に調整すれば、フラッシュランプＦＬの発光強度が一定に維持される。さらに、入力部３３から入力するパルス幅の時間とパルス間隔の時間との組み合わせの総時間を長くすることによって、フラッシュランプＦＬに比較的長時間にわたって電流が流れ続けることとなり、フラッシュランプＦＬの発光時間が長くなる。フラッシュランプＦＬの発光時間は０．１ミリ秒～１００ミリ秒の間で適宜に設定される（本実施形態では０．８ミリ秒）。また、半導体ウェハーＷの表面に照射されるフラッシュ光の照射エネルギーは５Ｊ／ｃｍ２以上６０Ｊ／ｃｍ２以下である。
このようにしてフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの表面に０．１ミリ秒以上１００ミリ秒以下の照射時間にてフラッシュ光が照射され、ヘミセルロース膜１０３を含む半導体ウェハーＷの表面がフラッシュ加熱される。フラッシュ光照射によってヘミセルロース膜１０３を含む半導体ウェハーＷの表面が到達する最高温度Ｔ２は５００℃以下である（本実施形態では５００℃）。フラッシュ光の照射時間は極めて短時間であるため、半導体ウェハーＷの表面が予備加熱温度Ｔ１よりも高い温度に加熱されている時間は１秒以下である。
ヘミセルロース膜１０３が最高温度Ｔ２にまで加熱されることによって、ヘミセルロース膜１０３の表面に含浸されていた金属が膜中に拡散してヘミセルロース膜１０３の全体が硬化する。また、ヘミセルロース膜１０３が最高温度Ｔ２にまで加熱されることによって、主に水素系の不純物がヘミセルロース膜１０３から脱離してヘミセルロース膜１０３が緻密化する。ヘミセルロース膜１０３が緻密化するとともに硬化することにより、ヘミセルロース膜１０３のエッチング耐性が向上し、ヘミセルロース膜１０３がハードマスクとして必要な特性（高いエッチング選択比等）を獲得することとなる。
ヘミセルロース膜１０３を含む半導体ウェハーＷの表面のフラッシュ加熱が終了した後、半導体ウェハーＷが熱処理装置１のチャンバー１０から搬出される（ステップＳ５）。具体的には、熱処理装置１外部の搬送ロボットによって半導体ウェハーＷが図示省略の搬送開口部を介してチャンバー１０から搬出される。熱処理装置１から搬出された半導体ウェハーＷは後工程に搬送され、ヘミセルロース膜１０３をマスクとして下層膜１０２の反応性イオンエッチングが行われる。このような一連のプロセスは、例えば３Ｄ－ＮＡＮＤフラッシュメモリの製造に好適に用いられる。
本実施形態においては、半導体ウェハーＷの表面に形成されたヘミセルロース膜１０３を２００℃以下の予備加熱温度Ｔ１で予備加熱した後、フラッシュ光照射によって当該ヘミセルロース膜１０３を予備加熱温度Ｔ１よりも高温かつ５００℃以下に１秒以下加熱している。本実施形態のようにすれば、安価な樹脂を用いて安価な製造コストでハードマスクを形成することができる。樹脂であるヘミセルロースは、２００℃よりも高温に加熱されると熱分解するという性質を有している。その一方、表面に金属が含浸されているヘミセルロース膜１０３を２００℃以下で加熱しても金属がほとんど拡散せず、ヘミセルロース膜１０３を硬化させることができない。
そこで、本実施形態においては、フラッシュ光照射によってヘミセルロース膜１０３を２００℃よりも高温かつ５００℃以下に１秒以下加熱している。換言すれば、樹脂膜であるヘミセルロース膜１０３を臨界温度よりも高い温度に１秒以下の極短時間だけ加熱しているのである。「臨界温度」とは、樹脂膜が熱によって変質する温度である（樹脂膜がヘミセルロース膜１０３であれば２００℃）。ヘミセルロース膜１０３を臨界温度よりも高い温度に加熱したとしても、その加熱時間は１秒以下の極短時間であるため、ヘミセルロース膜１０３の熱分解を防止することができる。また、表面に金属が含浸されたヘミセルロース膜１０３を臨界温度よりも高温に加熱することによって、金属を膜中に拡散させてヘミセルロース膜１０３を十分に硬化し、ヘミセルロース膜１０３のエッチング耐性を向上させることができる。すなわち、フラッシュ光照射によってヘミセルロース膜１０３を臨界温度よりも高い温度に１秒以下の極短時間だけ加熱することにより、ヘミセルロース膜１０３の熱分解防止と金属の拡散とを両立させているのである。
また、予備加熱温度Ｔ１は臨界温度以下であるため、予備加熱中にヘミセルロース膜１０３が熱分解することも防止される。ただし、予備加熱によってはヘミセルロース膜１０３の表面に含浸された金属が拡散することもない。
また、本実施形態においては、フラッシュランプＦＬの駆動回路にＩＧＢＴ９６を組み込むことによって、パルス幅の時間とパルス間隔の時間とを適宜に設定するだけで、フラッシュランプＦＬの発光パターンを自在に規定することができる。よって、フラッシュ光の照射時間を適宜に調整して、ヘミセルロース膜１０３を熱分解させることなく、金属を拡散させることができる好適な条件のフラッシュ加熱を行うことができる。
また、上述したように、予備加熱中に検出器５４が予め設定されている基準値以上の揮発性有機化合物を検出したときには、制御部３がフラッシュ光照射による主加熱を中止して熱処理装置１を停止している。これにより、異常なヘミセルロース膜１０３にフラッシュ光を照射して加熱することを未然に防止することができる。
また、本実施形態においては、予備加熱時およびフラッシュ加熱時に第２ガス供給機構６０からチャンバー窓１８の下面に沿って不活性ガスを５０リットル／分以上１５０リットル／分以下流している。ヘミセルロース膜１０３が加熱されているときには、有機溶剤の成分が揮発性有機化合物として熱処理空間１５に放出されている。チャンバー窓１８の下面に沿って不活性ガスを流すことにより、そのような有機化合物がチャンバー窓１８の下面に付着するのを防止することができる。その結果、熱処理装置１のメンテナンス性を向上させることができる。
また、チャンバー１０からの排気配管５２にはリリーフ弁５５が設けられている。ヘミセルロース膜１０３が加熱されると、有機溶剤の成分が熱処理空間１５に大量に放出されてチャンバー１０内の圧力が急上昇することがある。チャンバー１０内の圧力が所定値を超えて過大となったときに、リリーフ弁５５が自動的に開いてチャンバー１０内の気体を放出して圧力を低下させる。これにより、チャンバー１０内の圧力上昇に起因したチャンバー窓１８の破損を防止することができ、熱処理装置１の安全性を向上させることができる。
また、ステージ２０には、ヒータ２１に加えて冷却配管２２が設けられている。ステージ２０にヒータ２１のみを設けた場合には、半導体ウェハーＷを連続処理することによって蓄熱によりステージ２０およびチャンバー１０内が徐々に高温となるおそれがある。ステージ２０にヒータ２１および冷却配管２２を設けることにより、ステージ２０を一定温度に温調することができる。具体的には、ステージ２０に設けられた図示省略の温度センサの測定結果に基づいて制御部３がヒータ２１の出力および冷却配管２２への冷却水供給をフィードバック制御することにより、ステージ２０の温度を一定温度に温調している。これにより、連続処理の対象となる複数の半導体ウェハーＷの熱履歴を均一にすることができ、安定した連続処理が可能となる。
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、ヘミセルロース膜１０３が形成された半導体ウェハーＷの熱処理を行っていたが、これに限定されるものではなく、他の樹脂膜が成膜された半導体ウェハーＷに対して熱処理を行うようにしても良い。例えば、フェノール樹脂やフラーレン誘導体等の樹脂膜が形成された半導体ウェハーＷに対して上記実施形態と同様の熱処理を行うようにしても良い。これらの樹脂膜であっても、表面に金属が含浸された樹脂膜を臨界温度よりも高い温度に１秒以下の短時間加熱することにより、樹脂膜を熱分解させることなく、金属を膜中に拡散させて樹脂膜を硬化することができる。
また、上記実施形態においては、ヘミセルロース膜１０３が形成された半導体ウェハーＷに予備加熱を行った後に、フラッシュ光照射を行うようにしていたが、樹脂膜の臨界温度以下で処理する予備加熱は必ずしも必須の工程ではない。常温の半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射してヘミセルロース膜１０３を臨界温度よりも高い温度に加熱することができるのであれば、予備加熱は必ずしも行う必要はない。
また、上記実施形態においては、フラッシュ光照射によってヘミセルロース膜１０３を臨界温度よりも高い温度に１秒以下加熱していたが、これに限定されるものではなく、他の加熱機構によってヘミセルロース膜１０３を１秒以下の短時間加熱するようにしても良い。他の加熱機構としては、例えば、レーザアニールやマイクロウェイブ等を用いることができる。レーザアニールやマイクロウェイブによってヘミセルロース膜１０３を臨界温度よりも高い温度に１秒以下加熱することより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、上記実施形態においては、常圧で半導体ウェハーＷの熱処理を行っていたが、予備加熱時およびフラッシュ加熱時にチャンバー１０内を減圧するようにしても良い。具体的には、第１ガス供給機構４０および第２ガス供給機構６０からガス供給を行うことなく、排気機構５０によって熱処理空間１５の気体を排気することにより、チャンバー１０内を大気圧未満に減圧した状態で予備加熱およびフラッシュ加熱を行う。チャンバー１０内を減圧した状態で予備加熱およびフラッシュ加熱を行うことにより、ヘミセルロース膜１０３からの脱ガスを促進して不要な成分を脱離させることができ、ヘミセルロース膜１０３をより緻密化することができる。
或いは、予備加熱時およびフラッシュ加熱時にチャンバー１０内を加圧するようにしても良い。具体的には、排気バルブ５３を閉止して熱処理空間１５の気体を排気することなく、第１ガス供給機構４０から熱処理空間１５にガス供給を行うことにより、チャンバー１０内を大気圧を超えて加圧した状態で予備加熱およびフラッシュ加熱を行う。チャンバー１０内を加圧した状態で予備加熱およびフラッシュ加熱を行うことにより、ヘミセルロース膜１０３の熱分解をより効果的に抑制することができる。
また、ヘミセルロース膜１０３に含浸される金属はアルミニウムに限定されるものではなく、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）等であっても良い。
また、半導体ウェハーＷの基材１０１の材質もシリコンに限定されるものではなく、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等であっても良い。
また、上記実施形態においては、排気配管５２にリリーフ弁５５が設けられていたが、これに限定されるものではなく、リリーフ弁５５はチャンバー１０に直接取り付けられていても良い。このようにしてもチャンバー１０内の圧力が過大となったときには、リリーフ弁５５が開いてチャンバー１０内の圧力を低下させることができる。
また、冷却配管２２に代えてペルチェ素子を設けてステージ２０を冷却するようにしても良い。
１ 熱処理装置
３ 制御部
１０ チャンバー
１５ 熱処理空間
１８ チャンバー窓
２０ ステージ
２１ ヒータ
２２ 冷却配管
３０ 加熱光源
４０ 第１ガス供給機構
５０ 排気機構
５２ 排気配管
５４ 検出器
５５ リリーフ弁
６０ 第２ガス供給機構
３３ 入力部
９６ ＩＧＢＴ
１０３ ヘミセルロース膜
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー
３ 制御部
１０ チャンバー
１５ 熱処理空間
１８ チャンバー窓
２０ ステージ
２１ ヒータ
２２ 冷却配管
３０ 加熱光源
４０ 第１ガス供給機構
５０ 排気機構
５２ 排気配管
５４ 検出器
５５ リリーフ弁
６０ 第２ガス供給機構
３３ 入力部
９６ ＩＧＢＴ
１０３ ヘミセルロース膜
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー
Claims (16)
- 樹脂膜が形成された基板を加熱する熱処理方法であって、
表面に金属が含浸された樹脂膜が形成された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て前記樹脂膜を臨界温度よりも高い温度に１秒以下加熱する主加熱工程と、
前記主加熱工程の前に、前記樹脂膜を前記臨界温度以下に加熱する予備加熱工程と、
前記チャンバーからの排気中に含まれる揮発性有機化合物を検出する検出工程と、
を備え、
前記予備加熱工程の実行中に基準値以上の揮発性有機化合物が検出されたときには前記主加熱工程を中止することを特徴とする熱処理方法。 - 樹脂膜が形成された基板を加熱する熱処理方法であって、
表面に金属が含浸された樹脂膜が形成された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て前記樹脂膜を臨界温度よりも高い温度に１秒以下加熱する主加熱工程と、
を備え、
前記樹脂膜は、ヘミセルロース、フェノール樹脂またはフラーレン誘導体の膜であることを特徴とする熱処理方法。 - 請求項１または請求項２に記載の熱処理方法において、
前記臨界温度は２００℃であり、
前記主加熱工程では、前記樹脂膜を５００℃以下に加熱することを特徴とする熱処理方法。 - 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理方法において、
前記主加熱工程では、フラッシュランプから前記樹脂膜に５Ｊ／ｃｍ２以上６０Ｊ／ｃｍ２以下の照射エネルギーにてフラッシュ光を照射することを特徴とする熱処理方法。 - 請求項４記載の熱処理方法において、
前記チャンバーの照射窓に沿って不活性ガスを５０リットル／分以上１５０リットル／分以下流すことを特徴とする熱処理方法。 - 請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱処理方法において、
前記チャンバー内を減圧する減圧工程をさらに備えることを特徴とする熱処理方法。 - 請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱処理方法において、
前記チャンバー内を加圧する加圧工程をさらに備えることを特徴とする熱処理方法。 - 樹脂膜が形成された基板を加熱する熱処理装置であって、
表面に金属が含浸された樹脂膜が形成された基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内にて前記基板を支持するステージと、
前記チャンバー内にて前記樹脂膜を臨界温度よりも高い温度に１秒以下加熱する主加熱機構と、
前記ステージ内に、前記主加熱機構による加熱の前に前記樹脂膜を前記臨界温度以下に加熱する予備加熱機構と、
前記チャンバーからの排気配管に揮発性有機化合物を検出する検出器と、
を備え、
前記予備加熱機構による加熱を行っているときに前記検出器が基準値以上の揮発性有機化合物を検出したときには前記主加熱機構による加熱を中止することを特徴とする熱処理装置。 - 樹脂膜が形成された基板を加熱する熱処理装置であって、
表面に金属が含浸された樹脂膜が形成された基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内にて前記基板を支持するステージと、
前記チャンバー内にて前記樹脂膜を臨界温度よりも高い温度に１秒以下加熱する主加熱機構と、
を備え、
前記樹脂膜は、ヘミセルロース、フェノール樹脂またはフラーレン誘導体の膜であることを特徴とする熱処理装置。 - 請求項８記載の熱処理装置において、
前記ステージ内に冷却機構をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。 - 請求項８記載の熱処理装置において、
前記チャンバーまたは前記排気配管に安全逃がし弁を備えることを特徴とする熱処理装置。 - 請求項８から請求項１１のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記臨界温度は２００℃であり、
前記主加熱機構は前記樹脂膜を５００℃以下に加熱することを特徴とする熱処理装置。 - 請求項８から請求項１２のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記主加熱機構はフラッシュランプを備え、
前記フラッシュランプから前記樹脂膜に５Ｊ／ｃｍ２以上６０Ｊ／ｃｍ２以下の照射エネルギーにてフラッシュ光を照射することを特徴とする熱処理装置。 - 請求項１３記載の熱処理装置において、
前記チャンバーは、前記フラッシュ光を透過する照射窓を備え、
前記照射窓に沿って不活性ガスを５０リットル／分以上１５０リットル／分以下流すガス供給部をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。 - 請求項８から請求項１４のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記チャンバー内を減圧する減圧機構をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。 - 請求項８から請求項１４のいずれかに記載の熱処理装置において、
前記チャンバー内を加圧する加圧機構をさらに備えることを特徴とする熱処理装置。
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| JP2019152648A JP7242475B2 (ja) | 2019-08-23 | 2019-08-23 | 熱処理方法および熱処理装置 |
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-
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| US20190259606A1 (en) | 2018-02-22 | 2019-08-22 | Toshiba Memory Corporation | Pattern-forming method |
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