JPWO2019049735A1 - 絶縁膜の成膜方法、基板処理装置及び基板処理システム - Google Patents
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Abstract
Description
前記塗布膜中の溶媒を揮発させる溶媒揮発工程と、
この工程の後、前記前駆体を構成する分子団に未結合手を生成するために、大気よりも酸素濃度が低い低酸素雰囲気で前記塗布膜にエネルギーを供給するエネルギー供給工程と、
前記塗布膜の表面に、塗布膜中の未結合手の大気雰囲気による酸化を抑制するための保護膜を形成する工程と、
その後、前記基板を加熱し、前記前駆体を架橋させて絶縁膜を形成するキュア工程と、を含むことを特徴とする。
前記塗布膜中の溶媒を揮発させるための溶剤揮発モジュールと、
前記前駆体を活性化させるために、溶媒が揮発された塗布膜に対して、大気よりも酸素濃度が低い低酸素雰囲気でエネルギーを供給するためのエネルギー供給モジュールと、
前記エネルギーが供給された塗布膜に保護膜を形成する保護膜形成モジュールと、
各モジュールの間で基板を搬送するための基板搬送機構と、を備えたことを特徴とする。
前記エネルギー供給モジュールにて処理された後の基板を加熱し、前記前駆体を架橋させて絶縁膜を形成するための熱処理装置と、
前記基板処理装置の前記搬入出ポートと前記キュア装置との間で前記搬送容器を搬送するための容器搬送機構と、を備えたことを特徴とする。
また塗布膜にエネルギーを供給した後、塗布膜の表面に保護膜を形成することで、キュア工程前における未結合手の反応を抑制することができ、塗布膜の膜質が良好になる。
本発明の実施形態の詳細について説明する前に、本発明の概要について述べておく。本発明の絶縁膜の成膜方法の一例として、酸化シリコンを含む絶縁膜の前駆体を含む塗布液を基板に塗布し、得られた塗布膜を加熱して塗布膜中の溶媒を揮発させ、次いで基板を加熱して塗布膜中の分子団の再配列を行い、その後、塗布膜に紫外線を照射し、しかる後、塗布膜をキュアする工程が挙げられる。
この工程が行われる雰囲気において酸素濃度が高いと、紫外線の照射により生成された未結合手を有するオリゴマー同士が瞬時で結合し、結合されたオリゴマーの中に、孤立したオリゴマーが閉じ込められ、結果として絶縁膜の緻密性が低くなる。
次に本発明の絶縁膜の成膜方法の実施の形態について詳述する。上述の基板処理システムを用いた絶縁膜の成膜方法として、被処理基板に対してSTIを行うプロセスについて説明する。図3に示すように被処理基板であるウエハWには、シリコン膜100に溝部(トレンチ)110が形成されており、そして例えばSOG膜の前駆体を有機溶剤に溶解した塗布液をウエハWに塗布することにより、トレンチ110を埋めるように塗布膜101が形成される。前駆体としては、例えば−(SiH2NH)‐を基本構造とするポリマーであるポリシラザンが用いられる。塗布液は、例えば流動性を良くするためにポリシラザンの分子団がオリゴマーの状態で溶解している。そのため図3に示すように、例えばスピンコーティングによりウエハWに塗布したときに塗布液が細いトレンチ110内に進入しやすく埋め込み性の良好な塗布膜101が得られる。なお図3〜図10では、塗布膜101にPSZ(ポリシラザン)と記載している。
次いで塗布膜101の表面に、例えばポリスチレンで構成された保護膜である有機膜102を形成する。これにより図6に示すように塗布膜101の表面が有機膜102により覆われ、塗布膜101に形成された未結合手と、大気雰囲気との接触が抑制される。また有機膜102は疎水性であるため、大気中の水分が塗布膜101中に浸透することを防ぐことができる。
キャリアブロックS1は、図12に示すように複数枚のウエハWを収納して搬送するためのキャリアCが例えば横方向(X方向)に複数(例えば3個)載置されるステージ11を備えている。またキャリアブロックS1は、ステージ11に載置されたキャリアC内に対してウエハWの受け渡しを行うための搬送アームである受け渡し機構12と、を備えている。受け渡し機構12は、ウエハWの保持部分が進退自在、X方向に移動自在、鉛直軸周りに回転自在、昇降自在に構成されている。
絶縁膜塗布モジュール2Aは、図14に示すようにウエハWを吸着保持して駆動機構22により回転自在、昇降自在に構成されたスピンチャック21を備えている。また図14中の23はカップモジュールである。図14中24は、円形板状に構成され、周縁から下方に伸びる外周壁を備えたガイド部材である。
筐体50の内部は、搬入出口51から見て手前側にウエハWを搬送する搬送アーム53が設けられている。搬送アーム53は、クーリングプレートとして構成され、例えば溶剤揮発工程後、紫外線照射処理の前に、ウエハWを常温(25℃)まで冷却できるように構成されている。搬入出口51から見て奥側には、ウエハWの載置台54が配置されている。載置台54及び搬送アーム53の下方にはウエハの受け渡しを行うための昇降ピン56、58が夫々設けられ、昇降ピン56、58は、夫々昇降機構57、59により昇降するように構成されている。
そして載置台54に載置されたウエハWに紫外線を照射するときには、ガス供給部73からN2ガスを供給すると共に排気を行い、ウエハWの雰囲気を例えば400ppm以下の低酸素雰囲気、例えばN2ガス雰囲気とするように構成されている。搬送アームに53にて常温まで冷却されたウエハWが載置台54に載置されると、N2ガス供給源75からN2ガスを供給し、低酸素雰囲気とした状態でウエハWに例えば2000mJ/cm2のエネルギーが照射される
熱処理炉は、例えば図17に示すような縦型熱処理装置97を用いることができる。縦型熱処理装置97は、両端が開口した石英製の管状に構成され、内部に成膜ガスが供給される反応管である内側反応管103を備えており、内側反応管103の周囲には、上端側が塞がれ、下端側が開口した石英製の円筒状の外側反応管104が設けられている。外側反応管104の下方には、外側反応管104と開口部に気密に接続され、外側反応管104と連続するステンレス製の筒状のマニホールド115が設けられ、マニホールド115の下端は、フランジ117が形成されている。またマニホールド115の内側には、リング状の支持部116が形成され、内側反応管103は、その下端が支持部116の内側の周縁に沿って起立して接続されている。内側反応管103、外側反応管104及びマニホールド115は反応容器111に相当する。
この縦型熱処理装置97は、例えば蓋体119を下降させた状態で、キャリアCにて熱処理装置に搬入されたウエハWが、ウエハボート105に載置される。さらに蓋体119を上昇させることで、図17に示すように反応容器111内にウエハボート105が収納されると共に、蓋体119により開口部118が閉じられる。そして水蒸気供給ノズル127から反応容器111内に水蒸気を供給すると共に、加熱部114によりウエハWが所定の温度例えば450℃に加熱することにより、ウエハWにキュア処理が行われる。
そして基板処理装置1にて処理を終えたウエハWは、キャリアCに収納され、搬送車98により載置台90に搬送される。さらに例えば熱処理装置93の処理が開始されるまで、例えば1日の間載置台90上にて引き置きがされる。その後熱処理装置93の処理の順番になると、当該キャリアCは搬送車98により熱処理装置93のキャリアブロックS1に受け渡されて既述のようにキュア工程が行われる。
さらには、ウエハWにキュア工程を行った後、ウエハWを加熱してアッシングを行うようにしてもよく、このアッシング処理時の加熱により有機膜102を分解除去するようにしてもよい。また有機膜102は、例えばアクリルなどを用いてもよい。あるいはレジストであってもよい。
また図4に示す溶剤を揮発させる工程に続いて、塗布膜101中のオリゴマーの再配列を行うリフロー工程を行うようにしてもよい。例えばSOG膜を成膜するにあたって、塗布膜を塗布し、溶剤を除去したときに塗布膜中に含まれるオリゴマー間に隙間が生じていることがある。そのため溶剤除去工程を行った後、ウエハWを200〜300℃、例えば250℃で加熱する。これにより塗布膜101中のオリゴマーが再配列されて、隙間を埋めるように並ぶ(リフロー工程)。このリフロー工程を行いオリゴマーが再配列することによりオリゴマー間の隙間が狭くなる。そのため後段のキュア処理によりオリゴマー同士の架橋を形成したときに緻密な膜になりやすくなる。
このような装置としては、例えば図12に示す基板処理装置1において、溶剤揮発モジュール3の内の1台を、例えばウエハWを200〜300℃、例えば250℃で加熱することができる加熱モジュール(リフローモジュール)を設ければよい。
また本発明は、低誘電率膜などの層間絶縁膜の成膜に適用してもよい。層間絶縁膜の成膜にあたっては、配線材料である銅のマイグレーションや拡散を抑えるために、加熱温度は例えば400℃以下にすることが要請されている。本発明ではキュア温度が低温であっても良質な膜質の絶縁膜が得られることから、層間絶縁膜の成膜に適用することが期待できる。
また例えば細い溝部が形成された基板に絶縁膜を形成する例としてPMD(Pre Metal Dielectric)に適用してもよい。
次いで本発明の第2の実施の形態に係る絶縁膜の成膜方法について説明する。この実施の形態では、図5に示した塗布膜101に紫外線を照射する工程を行った後、さらに塗布膜に紫外線を照射する。例えば塗布膜に1回目の紫外線の照射を行うときに2000mJ/cm2のドーズ量の紫外線の照射を行い、次いで塗布膜に2回目の紫外線の照射する工程として1000mJ/cm2のドーズ量の紫外線を照射する。
塗布膜に供給するエネルギー量と、塗布膜の活性について説明すると、図18の模式図に示すように塗布膜にエネルギーを照射したときに、ある許容値E1を超えるエネルギーを与えることで未結合手が形成される。しかしさらにエネルギーを与え許容値E2を上回るエネルギーを与えると、塗布膜の活性が高まりすぎ、大気中の酸素や水分と常温にて容易に反応してしまう程度に活性が高まる。そして塗布膜の全層に許容値E1を超えるエネルギーを与えた状態で、後続のキュア処理を行うことにより、塗布膜の全層が緻密な酸化膜となる。
また2回目の紫外線照射を行い塗布膜の表面を許容値E2を超えるエネルギーが照射された層を形成した後、上述の実施の形態のように塗布膜を大気雰囲気に曝して、塗布膜の表面に緻密な酸化膜を形成してもよい。または塗布膜の表面に許容値E2を超えるエネルギーが照射された層を形成した後、塗布膜の表面に酸素を供給して強制的に緻密な酸化膜を成膜するようにしてもよい。
また塗布膜への紫外線の照射時間の総時間を長くすることで、塗布膜の表面に緻密な膜を形成するようにしてもよい。紫外線の照射時間を長くすることで、塗布膜に照射される紫外線のドーズ量を増やすことができるため同様の効果が得られる。
その後ウエハWは、キャリアCに収納されて基板処理装置1から搬出され、載置台90にて引き置きがなされ、熱処理装置93に搬送される。そして図26に示すように例えば水蒸気雰囲気下で400℃、450℃で段階的に加熱した後N2ガス雰囲気下で450℃に加熱する。
そのため紫外線を照射する温度は、350℃以下であることが好ましい。また紫外線照射時に架橋の進行しない温度であることが要件であることから、リフロー工程において紫外線を照射するようにしてもよい。しかしながら溶剤揮発工程においては、溶剤が紫外線の照射により変質するおそれもある。そのため、溶剤除去工程以後である必要がある。
また溶剤揮発工程に用いる塗布膜101中の溶剤を揮発させる装置は、例えば密閉した処理容器内を例えば大気圧の半分まで減圧し、処理容器内に載置したウエハWにおける溶剤の揮発を促進して溶剤を揮発させる装置でも良い。
[実施例]
<実施例1>
絶縁膜の成膜方法における紫外線照射工程においてN2ガス雰囲気下で主たる波長が172nmの紫外線をドーズ量が2000mJ/cm2となるように照射した例を実施例1−1とした。なおウエハWは、実施の形態に示した塗布液を塗布した後、溶剤揮発工程において、ウエハWを150℃で3分加熱し、その後リフロー工程を行わずに、紫外線照射工程を行った。続いて引き置きを行わずに熱処理装置に搬送し、キュア工程においては、熱処理炉内において、水蒸気を供給した状態で、400℃で30分、450℃で120分の2段階の加熱を行った後、N2ガス雰囲気下で450℃で加熱した。なお塗布膜の目標膜厚は100nmとした。
<比較例1、2>
また紫外線照射工程において、大気雰囲気にて2000mJ/cm2の紫外線を照射したことを除いて、実施例1−1と同様に処理した例を比較例1とした。また紫外線照射を行わないことを除いて、実施例1−1と同様に処理した例を比較例2とした。
比較例1、2における相対的エッチングレートは、夫々3.74、5.55であった。これに対して、実施例1における相対的エッチングレートは、2.04であった。
この結果によれば、ポリシラザンを含む塗布液をウエハWに塗布し絶縁膜を成膜するにあたって、キュア工程前の塗布膜にN2ガス雰囲気下で紫外線のエネルギーを照射することにより、エッチング強度を高めることができるといえる。
また紫外線のドーズ量を3000及び4000mJ/cm2に設定したことを除いて実施例1−1と同様に処理を行った例においても同様に、相対的エッチングレートを評価したところ各々2.70.2.42であり、4000mJ/cm2程度の紫外線のドーズ量においても強度の高い絶縁膜を得ることができた。後述の実施例3にて述べるように紫外線のドーズ量を3000及び4000mJ/cm2に設定した例では、表面に速やかに緻密な酸化膜となる層が形成されていると推測されるが、キュア処理後の塗布膜は十分に緻密な膜となるといえる。
[実施例2]
<実施例2−1>
ウエハWは、実施の形態に示した塗布液を塗布した後、溶剤揮発工程において、ウエハWを150℃で3分加熱し、その後リフロー工程を行わずに、紫外線照射工程を行った。続くキュア工程においては、熱処理炉内において、水蒸気を供給した状態で、400℃で30分、450℃で120分の2段階の加熱を行った後、N2ガス雰囲気下で450℃で加熱した。なお塗布膜の目標膜厚は100nmとした。
<実施例2−2、2−3>
溶剤揮発工程におけるウエハWの加熱温度を200℃、250℃に設定したことを除いて実施例2−1と同様に処理した例を、夫々実施例2−2〜2−3とした。
[実施例3]
<実施例3−1−1>
図11に示した基板処理システムを用い、ウエハWの表面にポリシラザン膜を成膜し、その後、ウエハWを150℃で30分間加熱した。次いで窒素ガス雰囲気下で、ウエハWに40mW/cm2の強度の紫外線をドーズ量が1000mJ/cm2となるように照射した。続いてウエハWをキャリアCに収納し、常温(25℃)大気雰囲気下で一日引き置きを行い、その後ウエハWを熱処理装置に搬送し、キュア処理として、水蒸気雰囲気下で、400℃で3分間、450℃で120分で加熱した例を実施例3−1−1とした。なお塗布膜の目標膜厚は、120nmとした。
<実施例3−1−2、3−1−3>
紫外線のドーズ量を、2000mJ/cm2及び3000mJ/cm2としたことを除いて、実施例3−1−1と同様に処理した例を夫々実施例3−1−2、3−1−3とした。
<実施例3−2−1>
キュア処理として、水蒸気雰囲気下で、400℃で3分間、600℃で120分で加熱したことを除いて実施例3−1−1と同様に処理した例を実施例3−2−1とした。
<実施例3−2−2〜3−2−4>
塗布膜に照射する紫外線のドーズ量を、2000mJ/cm2、3000mJ/cm2及び4000mJ/cm2としたことを除いて、実施例3−2−1と同様に処理した例を夫々実施例3−2−2〜3−2−4とした。
<比較例3−1、3−2>
塗布膜に紫外線を照射しないことを除いて実施例3−1−1、3−2−1と同様に処理した例を夫々比較例3−1、3−2とした。
実施例3−1−1〜3−2−4及び比較例3−1、3−2の各々について、0.5%希フッ酸溶液に対するエッチング速度を求め、熱酸化処理により作成したシリコン酸化膜における0.5%希フッ酸溶液によるエッチング速度に対する相対的エッチングレートを求めた。
Claims (16)
- 酸化シリコンを含む絶縁膜を形成するための前駆体を溶媒に溶解させた塗布液を基板に塗布して塗布膜を形成する工程と、
前記塗布膜中の溶媒を揮発させる溶媒揮発工程と、
この工程の後、前記前駆体を構成する分子団に未結合手を生成するために、大気よりも酸素濃度が低い低酸素雰囲気で前記塗布膜にエネルギーを供給するエネルギー供給工程と、
前記塗布膜の表面に、塗布膜中の未結合手の大気雰囲気による酸化を抑制するための保護膜を形成する工程と、
その後、前記基板を加熱し、前記前駆体を架橋させて絶縁膜を形成するキュア工程と、を含むことを特徴とする絶縁膜の成膜方法。 - 前記保護膜は有機膜であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁膜の成膜方法。
- 前記保護膜を形成する工程は、前記エネルギー供給工程を第1のエネルギー供給工程とすると、第1のエネルギー供給工程に続いて、大気よりも酸素濃度が低い低酸素雰囲気で前記塗布膜にさらにエネルギーを供給する第2のエネルギー供給工程と、
第2のエネルギー供給工程の後、塗布膜の表面を酸化して保護膜となる酸化膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項1に記載の絶縁膜の成膜方法。 - 前記保護膜を形成する工程に続いて、基板を大気雰囲気中に載置する工程を含み、続いてキュア工程を行うことを特徴とする請求項1に記載の絶縁膜の成膜方法。
- 前記溶媒を揮発させる工程の後、塗布膜中の分子団を再配列するために基板を加熱するリフロー工程を行うことを特徴とする請求項1に記載の絶縁膜の成膜方法。
- 前記エネルギー供給工程は、前記リフロー工程の後、基板の温度を降温させた状態で行われることを特徴とする請求項5記載の絶縁膜の成膜方法。
- 前記エネルギー供給工程が行われる低酸素雰囲気は、酸素濃度が400ppm以下であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁膜の成膜方法。
- 前記低酸素雰囲気は、不活性ガスを含む雰囲気であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁膜の成膜方法。
- 前記エネルギーは、主たる波長が200nmよりも短い紫外線のエネルギーであることを特徴とする請求項1に記載の絶縁膜の成膜方法。
- 酸化シリコンを含む絶縁膜を形成するための前駆体を溶媒に溶解させた塗布液を基板に塗布して塗布膜を形成するための塗布モジュールと、
前記塗布膜中の溶媒を揮発させるための溶媒揮発モジュールと、
前記前駆体を活性化させるために、溶媒が揮発された塗布膜に対して、大気よりも酸素濃度が低い低酸素雰囲気でエネルギーを供給するためのエネルギー供給モジュールと、
前記エネルギーが供給された塗布膜に保護膜を形成するための保護膜形成モジュールと、
各モジュールの間で基板を搬送するための基板搬送機構と、を備えたことを特徴とする基板処理装置。 - 前記保護膜形成モジュールは、塗布膜の表面に有機膜を形成する有機膜形成モジュールであることを特徴とする請求項10に記載の基板処理装置。
- 前記保護膜形成モジュールは、前記エネルギー供給モジュールと共通であり、前記エネルギー供給モジュールは、前記前駆体を構成する分子団に未結合手を生成すると共に、塗布膜の表面に酸化により緻密な酸化層となる活性の高められた層を形成することを特徴とする請求項10に記載の基板処理装置。
- 前記溶剤揮発モジュールは、基板を加熱する溶媒加熱用の加熱モジュールであることを特徴とする請求項10に記載の基板処理装置。
- 溶媒が揮発された塗布膜中の分子団を再配列するために基板を加熱するリフロー用の加熱モジュールを備えていることを特徴とする請求項10に記載の基板処理装置。
- 前記エネルギー供給モジュールは、主たる波長が200nmよりも短い紫外線を塗布膜に照射するためのモジュールであることを特徴とする請求項10に記載の基板処理装置。
- 基板を搬送容器に入れて搬入出するための搬入出ポートと、酸化シリコンを含む絶縁膜を形成するための前駆体を溶媒に溶解させた塗布液を基板に塗布して塗布膜を形成するための塗布モジュールと、前記塗布膜中の溶媒を揮発させるための溶媒揮発モジュールと、前記前駆体を活性化させるために、溶媒が揮発された塗布膜に対して、大気よりも酸素濃度が低い低酸素雰囲気でエネルギーを供給するためのエネルギー供給モジュールと、前記エネルギーが供給された塗布膜に保護膜を形成する保護膜形成モジュールと、各モジュール及び前記搬入出ポートの間で基板を搬送するための基板搬送機構と、を備えた基板処理装置と、
前記基板処理装置にて処理された後の基板を加熱し、前記前駆体を架橋させて絶縁膜を形成するための熱処理装置と、
前記基板処理装置の前記搬入出ポートと前記キュア装置との間で前記搬送容器を搬送するための容器搬送機構と、を備えたことを特徴とする基板処理システム。
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