(57)【要約】基板を支持する基板支持部を有する処理空間と、前記処理空間にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、前記処理空間に不活性ガスを供給するガス供給部と、前記処理空間からガスを排出するガス排出部と、前記処理空間のガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、前記基板支持部に基板が支持された状態で、前記酸素濃度検出部が検出した前記処理空間のガスの酸素濃度が閾値以下である場合に、前記マイクロ波供給部から前記処理空間にマイクロ波を供給するよう制御する制御部と、を備えるように基板処理装置を構成する。
2013146118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を支持する基板支持部を有する処理空間と、
前記処理空間にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
前記処理空間に不活性ガスを供給するガス供給部と、
前記処理空間からガスを排出するガス排出部と、
前記処理空間のガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、
前記基板支持部に基板が支持された状態で、前記酸素濃度検出部が検出した前記処理空間のガスの酸素濃度が閾値以下である場合に、前記マイクロ波供給部から前記処理空間にマイクロ波を供給するよう制御する制御部と、を備える基板処理装置。
【請求項２】
基板を支持する基板支持部を有する処理空間と、
前記処理空間にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
前記処理空間に不活性ガスを供給するガス供給部と、
前記処理空間からガスを排出するガス排出部と、
前記処理空間のガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、を備える基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
前記基板支持部に基板が支持された状態で、前記処理空間に不活性ガスを供給し、前記処理空間を不活性ガスに置換するガス置換工程と、
前記処理空間を所定の処理圧力に調整する圧力調整工程と、
前記処理空間のガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出工程と、
前記酸素濃度検出工程で検出された酸素濃度が閾値以下の場合に前記処理空間にマイクロ波を供給する工程と、を備える半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載された半導体装置の製造方法であって、
前記基板支持部に支持された基板は、シリコン基板の上に金属膜が形成され、前記金属膜の上に誘電率が１０以上の誘電体膜を有する基板である半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上にＩＣ（Integrated Circuit）等の半導体装置を製造する基板処理技術に係り、特に、マイクロ波を用いて、半導体ウェハ（以下、ウェハという。）等の基板を加熱処理して半導体装置を製造する半導体製造装置や、基板を処理する基板処理装置、あるいは、半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程の１つに基板（シリコンウェハやガラスなどをベースとする微細な電気回路のパターンが形成された被処理基板）の表面に所定の成膜処理を行うＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）工程がある。これは、気密な反応室に基板を装填し、室内に設けた加熱手段により基板を加熱し、成膜ガスを基板上へ導入しながら化学反応を起こし、基板上に設けた微細な電気回路のパターン上へ薄膜を均一に形成するものである。このようなＣＶＤ工程により、例えば、成膜原料に有機材料を使って、誘電率の高い絶縁膜であるＨｉｇｈ−ｋ（高誘電体）膜として、ＺｒＯ（ジルコニア）膜等を形成することができる。【０００３】
こうして形成されたＺｒＯ膜は、有機材料に起因するＣＨ、ＯＨなどの不純物が数％と多量に含まれているため、そのままでは、電気的絶縁性が不十分である。このような薄膜の電気的絶縁性、およびその安定性を確保するため、ＺｒＯ膜を例えばＮ２（窒素）雰囲気中で６５０℃〜８００℃前後の高速アニール（ＲＴＡ：Rapid Thermal Anneal）処理を施すことにより、Ｃ（炭素）やＨ（水素）等の不純物を離脱させて緻密化し安定した絶縁体薄膜に改質しようとする試みが行われている。この緻密化は、結晶化まではさせないが、アモルファス状態の平均原子間距離を縮めるために行なわれる。このような高速アニール処理では、ＺｒＯ膜を改質処理するために、基板全体を所定の温度に加熱することになる。【０００４】
一方、最近の半導体デバイスにおいては、微細化に伴い浅接合化が進んでおり、サーマルバジェット（熱履歴）を小さくすることが求められている。そのため、上述したＨｉｇｈ−ｋ膜の形成工程で用いられるアニール処理においても、サーマルバジェットを小さくするため、基板を低温に抑えつつＨｉｇｈ−ｋ膜を加熱し、不純物を離脱させて緻密化することが求められている。基板を低温に抑える理由は、次のとおりである。デバイスを製造する工程において、後の工程で、前の工程で処理された温度より高い温度で処理すると、既に前工程で構築されていたデバイスが崩れたり、膜の特性が変化することがある。そのため前の工程で処理された温度を超える温度で処理することはできない。よって、デバイス性能向上のための膜質改善処理を低温で行える技術が望まれている。【０００５】
さらに、上述のＲＴＡ処理等では、基板の外側から熱を加えるため、ストレスや反りといった問題を発生させる。また、微細化にともない、高温加熱に起因して発生する有機物等は信頼性の低下の要因になる。また、上述のＲＴＡ処理等においては、６５０〜８００℃程度の高温で処理するが、酸素濃度が高い状態では酸化が進行し表面に酸化膜が形成されるといった問題を発生させる。また、微細化にともない薄膜化が進んでいるため、下地膜へ与える影響も大きい。
下記の特許文献には、外部からの加熱反応により半導体ウェハを水素アニールするバッ
チ式縦型熱処理装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２６１２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、基板温度の過度の上昇を抑えてサーマルバジェットを抑制し、酸化を抑制しつつ、加熱対象の基板を加熱処理することができる基板処理技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る基板処理装置の代表的な構成は、次のとおりである。
基板を支持する基板支持部を有する処理空間と、
前記処理空間にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
前記処理空間に不活性ガスを供給するガス供給部と、
前記処理空間からガスを排出するガス排出部と、
前記処理空間のガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、
前記基板支持部に基板が支持された状態で、前記酸素濃度検出部が検出した前記処理空
間のガスの酸素濃度が閾値以下である場合に、前記マイクロ波供給部から前記処理空間に
マイクロ波を供給するよう制御する制御部と、を備える基板処理装置。【０００９】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法の代表的な構成は、次のとおりである。
基板を支持する基板支持部を有する処理空間と、
前記処理空間にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
前記処理空間に不活性ガスを供給するガス供給部と、
前記処理空間からガスを排出するガス排出部と、
前記処理空間のガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、を備える基板処理装置を
用いた半導体装置の製造方法であって、
前記基板支持部に基板が支持された状態で、前記処理空間に不活性ガスを供給し、前記
処理空間を不活性ガスに置換するガス置換工程と、
前記処理空間を所定の処理圧力に調整する圧力調整工程と、
前記処理空間のガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出工程と、
前記酸素濃度検出工程で検出された酸素濃度が閾値以下の場合に前記処理空間にマイク
ロ波を供給する工程と、を備える半導体装置の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
上記のように基板処理装置や半導体装置の製造方法を構成すると、基板温度の過度の上昇や酸化を抑えつつ、加熱対象を含む基板を加熱処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る基板処理装置の構成を示す概略平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る基板処理装置の構成を示す概略側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る処理炉の垂直断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る基板の膜構成図である。
【図５】本発明の実施形態に係るマイクロ波加熱処理後のＸＲＤ分析結果を示す図である。
【図６】従来技術のＲＴＡ加熱処理後のＸＲＤ分析結果を示す図である。
【図７】ＺｒＯ膜の電気特性評価結果を示す図である。
【図８】マイクロ波加熱処理時の酸素濃度の違いによるＺｒＯ膜断面のＴＥＭ顕微鏡写真の比較図である。
【図９】本発明の実施形態に係るＺｒＯ結晶化におけるマイクロ波周波数依存性比較図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１、図２を用いて、本発明の実施形態に係る基板処理装置を説明する。図１は、基板処理装置を上面から見たときの構成を示す概略平面図である。図２は、基板処理装置を側面から見たときの構成を示す概略側面図である。
本発明の実施形態に係る基板処理装置は、半導体を製造するために予め定められた処理を実行する半導体製造装置として構成されている。以下、本発明の実施形態に係る基板処理装置は、マイクロ波を利用してウェハを加熱する装置として説明する。
【００１３】
本実施形態に係る基板処理装置では、基板を搬送するキャリヤとして、ＦＯＵＰ（Front
Opening Unified Pod 、以下、ポッドという。）が使用されている。また、以下の説明において、前後左右は、図１を基準とする。すなわち、図１が示されている紙面に対して、前は紙面の下、後ろは紙面の上、左右は紙面の左右とする。
【００１４】
図１に示されているように、本実施形態に係る基板処理装置は、真空状態などの大気圧未満の圧力（負圧）に耐え得るロードロックチャンバ構造に構成された処理炉２０１〜２０３を備えている。処理炉２０１〜２０３はいずれもコールドウォール式の処理室によって構成されている。
【００１５】
処理炉２０１〜２０３の前側には、大気圧下で用いられる搬送室１２１がゲートバルブ１２８、１２９、１３０を介して連結されている。搬送室１２１には、基板２００を移載する基板移載機１２４が設置されている。基板移載機１２４は、搬送室１２１に設置された基板移載機エレベータ１３１によって昇降されるように構成されているとともに、リニアアクチュエータ１３２によって左右方向に往復移動されるように構成されている。
【００１６】
図１に示されているように、搬送室１２１の左側にはノッチまたはオリフラ合わせ装置１０６を設置させることも出来る。また、図２に示されているように、搬送室１２１の上部にはクリーンエアを供給するクリーンユニット１１８が設置されている。
【００１７】
図１および図２に示されているように、搬送室１２１の搬送室筐体１２５の前側には、基板２００を搬送室１２１に対して搬入搬出するための基板搬入搬出口１３４と、ポッドオープナ１０８が設置されている。基板搬入搬出口１３４を挟んでポッドオープナ１０８と反対側、すなわち搬送室筐体１２５の外側にはロードポート１０５が設置されている。ポッドオープナ１０８は、ポッド１００のキャップ１００ａを開閉すると共に基板搬入搬出口１３４を閉塞可能なクロージャ１４２と、クロージャ１４２を駆動する駆動機構１３６とを備えており、ロードポート１０５に載置されたポッド１００のキャップ１００ａを開閉することにより、ポッド１００に対する基板２００の出し入れを可能にする。また、ポッド１００は図示しない工程内搬送装置（ＯＨＴなど）によって、ロードポート１０５に対して、供給および排出されるようになっている。
【００１８】
以下、前記構成をもつ基板処理装置における概略の処理工程を説明する。
基板２００は最大２５枚がポッド１００に収納された状態で、工程内搬送装置によって、基板処理装置へ搬送されて来る。図１および図２に示されているように、搬送されて来たポッド１００はロードポート１０５の上に工程内搬送装置から受け渡されて載置される。ポッド１００のキャップ１００ａがポッドオープナ１０８によって取り外され、ポッド１００の基板出し入れ口が開放される。
【００１９】
ポッド１００がポッドオープナ１０８により開放されると、搬送室１２１に設置された基板移載機１２４は、ポッド１００から基板２００をピックアップして処理炉２０１〜２０３に搬入する。
【００２０】
このとき、処理炉内が予め設定された圧力値となると、ゲートバルブ１２８が開かれ、第１処理炉２０１の内部と搬送室１２１の内部とが連通される。続いて、搬送室１２１の基板移載機１２４は、基板２００を処理炉２０１に搬入する。その後、ゲートバルブ１２８が閉じられた後、第１処理炉２０１内で前処理が行われ、その後、処理ガスが供給され、基板２００に対して所望の処理が施される。基板２００の処理の詳細については後述する。
【００２１】
第１処理炉２０１で基板２００に対する処理が完了した後、予め設定された冷却時間が経過すると、ゲートバルブ１２８が開かれ、基板２００は基板移載機１２４によって、ロードポート１０５に載置された空のポッド１００に基板搬入搬出口１３４を通して収納される。ここで、ポッド１００のキャップ１００aは、最大２５枚の基板が戻されるまでずっと空け続けていても良く、また、空きのポッド１００に収納せずに基板を搬出してきたポッドに戻しても良い。
【００２２】
以上の動作が繰り返されることによって、２５枚の処理済み基板２００がポッド１００へ収納されると、ポッド１００のキャップ１００ａがポッドオープナ１０８によって閉じられる。閉じられたポッド１００は、ロードポート１０５の上から次の工程へ工程内搬送装置によって搬送されて行く。
【００２３】
以上の動作は第１処理炉２０１が使用される場合を例にして説明したが、第２処理炉２０２および第３処理炉２０３が使用される場合についても同様の動作が実施される。
【００２４】
また、全ての処理炉で同じ処理を行っても良いし、各処理炉で別の処理を行っても良い。第１処理炉２０１と第２処理炉２０２で別の処理を行う場合、例えば第１処理炉２０１で基板２００にある処理を行った後、続けて第２処理炉２０２で別の処理を行わせてもよい。
【００２５】
また、処理炉は少なくとも、処理炉２０１〜２０３のいずれか１箇所の連結が成されていれば良く、処理炉２０２と２０３の２箇所など、処理炉２０１〜２０３の最大３箇所の範囲において可能な組合せであればいくつ連結しても良い。
【００２６】
続いて、本発明の実施形態に係る処理炉の構成について、図３に示す処理炉２０１を用いて説明する。図３は、本発明の実施形態に係る処理炉の垂直断面図である。処理炉２０１は、基板を処理する処理空間である処理室２０１a、後述のマイクロ波供給部、ガス供給部、ガス排出部等を備え、マイクロ波により基板２００を加熱処理する。
【００２７】
また、本基板処理装置は、当該基板処理装置の各構成部分の動作を制御する制御部３００を備え、制御部３００は、後述のマイクロ波発生部２２０、ゲートバルブ１２８〜１３０、基板移載機１２４、流量制御装置２５４、バルブ２５３、圧力調整バルブ２６３等の各構成部の動作を制御する。
【００２８】
マイクロ波供給部は、マイクロ波発生部２２０と導波路２２１と導波口２２２とマッチング機構２２３とを備える。マイクロ波発生部２２０は、例えば、固定周波数マイクロ波又は可変周波数マイクロ波を発生する。マイクロ波発生部２２０としては、例えばマグネトロン等が用いられる。マイクロ波発生部２２０で発生したマイクロ波は、導波路２２１を介して、処理室２０１ａに連通する導波口２２２から処理室２０１ａ内に導入される。導波路２２１には、インピーダンス整合を行い導波路２２１内部の反射電力を抑制するマッチング機構２２３が設けられている。
【００２９】
処理室２０１ａ内に導入されたマイクロ波は、処理室２０１ａの壁面に対して反射を繰り返す。マイクロ波は処理室２０１ａ内でいろいろな方向へ反射し、処理室２０１ａ内はマイクロ波で満たされる。処理室２０１ａ内の基板２００に当たったマイクロ波は基板２００に吸収され、基板２００はマイクロ波により誘電加熱される。
【００３０】
導波口２２２から発射されたマイクロ波は、処理室２０１ａの壁面に当たる毎にエネルギーが減衰する。この処理室の特徴は、高いエネルギーのマイクロ波を基板２００に当てることで、急速加熱できることである。実験的に、反射波が支配的な状態で基板を処理した場合と、基板に直接マイクロ波を照射した場合とでは、後者の方が基板の改質効果が高いという結果が得られている。
【００３１】
ここで、基板２００に直接マイクロ波を照射する場合、基板２００の面積に比べ、導波口２２２の大きさは小さいため、基板２００の表面に照射されるマイクロ波のエネルギーを基板全面において均一にすることは容易でない。また、基板２００にマイクロ波を直接照射するといっても、その全てのエネルギーが基板２００に吸収されるわけではなく、一部が基板表面で反射したり、一部が基板を透過したりする。これが反射波となり処理室２０１ａ内に定在波が発生する。この定在波によって処理室２０１ａ内の空間にマイクロ波の電界の強い部分と弱い部分が生じ、これにより基板面内においてよく加熱される部分と、あまり加熱されない部分が生じる。これが基板２００の加熱ムラとなり、膜質の基板面内均一性を悪くする一因となる。
【００３２】
そこで、本実施形態においては、導波口２２２を処理室２０１ａの上壁に設け、導波口２２２と基板支持ピン２１３で支持された基板２００の表面との間の距離を、供給されるマイクロ波の１波長よりも短い距離としている。本実施形態では、使用するマイクロ波の周波数を５．８ＧＨｚとし、そのマイクロ波の波長５１．７ｍｍよりも短い距離としている。導波口２２２から１波長よりも短い距離の範囲では、導波口２２２から発射された直接波が支配的であると考えられる。上記のようにすると、基板２００に照射されるマイクロ波は、導波口２２２から直接発射された直接波が支配的となり、処理室２０１ａ内の定在波の影響を相対的に小さくすることができ、導波口２２２の近辺の基板２００を急速加熱することができる。
【００３３】
ここで、一般に基板２００の温度は、マイクロ波のパワーが小さければ温度が低く、パワーが大きければ温度が高くなる。なお、基板温度は、処理室の大きさや形状、マイクロ波の導波口の位置、基板の位置によって変わるが、マイクロ波パワーを大きくすると、基板温度が高くなるという相関関係は崩れない。
【００３４】
処理室２０１ａを形成する処理室筐体２１８は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やステンレス（ＳＵＳ）など金属材料により構成されており、処理室２０１ａと外部とをマイクロ波的に遮蔽する構造となっている。処理室２０１ａ内には、基板２００を支持する基板支持部としての基板支持ピン２１３が設けられている。基板支持ピン２１３は、支持した基板２００の中心と処理室２０１ａの中心とが垂直方向で略一致するように設けられている。基板支持ピン２１３は、例えば石英又はテフロン（登録商標）等からなる複数（本実施形態においては３本）で構成され、その上端で基板２００を支持する。基板支持ピン２１３の下部であって基板２００の下方には、基板支持台２１２が設けられている。基板支持台２１２は、例えばアルミニウム（Ａｌ）などの導体である金属材料により構成されている。
【００３５】
基板支持台２１２は金属製であるため、基板支持台２１２表面においてはマイクロ波の電位がゼロとなる。仮に基板２００を基板支持台２１２に直接置いた場合、マイクロ波の電界強度が弱い状態となり、加熱されない。そこで、本実施形態では、基板支持台２１２の表面からおよそマイクロ波の１／４波長（λ／４）の位置、もしくはおよそλ／４の奇数倍の位置に基板２００を載置するようにする。ここでいう基板支持台２１２の表面とは、基板支持台２１２を構成する面の内、基板の裏面と対向する面を言う。λ／４の奇数倍の位置では電界が強いため、基板２００を効率よくマイクロ波で加熱することができる。本実施形態では、たとえば５．８ＧＨｚに固定したマイクロ波を使用し、マイクロ波の波長が５１．７ｍｍであるので、基板支持台２１２の表面から基板２００までの高さを１２．９ｍｍとしている。
【００３６】
マイクロ波の周波数が時間とともに変化（可変）する形態も可能である。その場合、基板支持台２１２の表面から基板２００までの高さは、変化する周波数帯の代表周波数の波長から求めれば良い。たとえば５．８ＧＨｚ〜７．０ＧＨｚまで変化する場合、代表周波数を変化する周波数帯のセンタ周波数とし、代表周波数６．４ＧＨｚの波長４６ｍｍより、基板支持台２１２の表面から基板２００までの高さを１１．５ｍｍとすればよい。
また、固定周波数の電源を複数設け、それぞれから異なる周波数のマイクロ波を切り替えて供給し、処理するようにしてもよい。
【００３７】
処理室２０１ａには、例えば窒素（Ｎ２）等の不活性ガスを導入するガス供給管２５２が設けられている。ガス供給管２５２には、上流から順に、ガス供給源２５５、ガス流量を調整する流量制御装置２５４、ガス流路を開閉するバルブ２５３が設けられており、このバルブ２５３を開閉することで、処理室２０１ａ内にガス供給管２５２からガスが導入、又は導入停止される。ガス供給管２５２から導入される導入ガスは、基板２００を冷却したり、パージガスとして処理室２０１ａ内のガスを押し出したりするのに用いられる。
【００３８】
主に、ガス供給管２５２と流量制御装置２５４とバルブ２５３から、処理室２０１ａ内に不活性ガスを供給するガス供給部が構成される。なお、ガス供給源２５５もガス供給部に含めて考えても良い。流量制御装置２５４とバルブ２５３は、制御部３００と電気的に接続されており、制御部３００により制御される。
【００３９】
図３に示すように、処理室２０１ａには、処理室２０１ａ内のガスを排出するガス排出管２６２が設けられている。ガス排出管２６２には、圧力調整バルブ２６３が設けられており、この圧力調整バルブ２６３の開度を調整することで、処理室２０１ａ内の圧力が所定の値に調整される。また、圧力調整バルブ２６３の下流には、排気装置として真空ポンプ２６４が設けられている。なお、真空ポンプ２６４を設けない構成とすることもできる。またガス排出管２６２には、酸素濃度検出部を構成する酸素濃度計２６５が設けられており、処理室２０１ａ内のガスの酸素濃度を検出する。
【００４０】
主に、ガス排出管２６２と圧力調整バルブ２６３等から、処理室２０１ａ内のガスを排出するガス排出部が構成される。なお、真空ポンプ２６４をガス排出部に含めて考えても良い。圧力調整バルブ２６３と真空ポンプ２６４は、制御部３００と電気的に接続されており、制御部３００により制御される。
【００４１】
図３に示すように、処理室筐体２１８の一側面には、処理室２０１ａの内外に基板２００を搬送するための基板搬送口２７１が設けられている。基板搬送口２７１には、ゲートバルブ１２８が設けられており、ゲートバルブ１２８を開けることにより、処理室２０１ａ内と搬送室１２１内とが連通するように構成されている。
【００４２】
次に、後述の加熱処理工程で基板２００に悪影響を及ぼさないよう、処理室２０１ａ内を不活性ガス雰囲気に置換する方法の一形態について説明する。本例では、不活性ガスとして窒素（Ｎ２）ガスを用いる。
基板２００を基板支持ピン２１３上に載置した後、ガス排出管２６２から、真空ポンプ２６４により処理室２０１ａ内のガス（雰囲気）を排出するとともに、ガス供給管２５２から、Ｎ２ガスを処理室２０１ａ内に導入する。このとき、圧力調整バルブ２６３により処理室２０１ａ内の圧力を所定の値、本実施形態では大気圧に調整する。
【００４３】
処理室２０１ａ内の圧力が所定値になった後、酸素濃度計２６５により、処理室２０１ａ内のガスの酸素濃度を検出する。酸素濃度が所定の閾値以下、例えば１ｐｐｍ〜１０ｐｐｍ以下になるまで、処理室２０１ａ内の圧力を所定値に保った状態で、処理室２０１ａ内の排気と処理室２０１ａ内へのＮ２ガス導入を続行する。酸素濃度が所定の閾値以下になった後、次に述べる加熱処理において、マイクロ波を出力する。
【００４４】
続いて、本実施形態に於ける加熱処理について説明する。
加熱処理においては、マイクロ波発生部２２０で発生させたマイクロ波を、導波口２２２から処理室２０１ａ内に導入し、基板２００の表面に照射する。本例では、このマイクロ波照射により、基板２００表面上のＨｉｇｈ−ｋ膜を１００℃〜６００℃に加熱し、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の改質処理、つまり、Ｈｉｇｈ−ｋ膜からＣやＨ等の不純物を離脱させて、緻密化し安定した絶縁体薄膜に改質する処理を行う。
【００４５】
このとき、制御部３００はバルブ２５３を開いて、処理室２０１ａ内にガス供給管２５２からＮ２ガスを導入するとともに、圧力調整バルブ２６３により処理室２０１ａ内の圧力を所定の値に調整しつつ、ガス排出管２６２から処理室２０１ａ内のＮ２ガスを排出する。以上のようにして、処理室２０１ａ内を所定の圧力値に維持する。
この状態で所定時間、マイクロ波を導入して基板加熱処理を行った後、マイクロ波の導入を停止する。
【００４６】
ここで、Ｈｉｇｈ−ｋ膜等の誘電体は、誘電率に応じてマイクロ波の吸収率が異なる。誘電率が高いほどマイクロ波を吸収しやすい。実験的に、高パワーのマイクロ波を基板に照射し処理すると、低パワーのマイクロ波で処理するときよりも、基板上の誘電体膜がより改質されることを確認している。また、マイクロ波による加熱の特徴は、誘電率εと誘電正接ｔａｎδによる誘電加熱で、この物性値が異なる物質を同時に加熱すると、加熱されやすい物質、すなわち、誘電率と誘電正接が高い方の物質を選択的に加熱できる。
【００４７】
前述したように、誘電率と誘電正接の高い物質は急速に加熱され、それ以外の誘電率と誘電正接の低い物質は加熱されるのに比較的時間がかかることを利用し、ハイパワーのマイクロ波を照射することにより、誘電体に対し所望の加熱をするためのマイクロ波の照射時間を短くすることができる。これにより、誘電率と誘電正接の低い物質は加熱される前にマイクロ波の照射を終えるので、誘電率と誘電正接が高い物質を選択的に加熱することができる。
【００４８】
続いて、Ｈｉｇｈ−ｋ膜のアニール処理（加熱処理）について説明する。基板材料であるシリコンに比べ、Ｈｉｇｈ−ｋ膜は誘電率εが高い。例えば、シリコンの誘電率εは９．６であるが、Ｈｉｇｈ−ｋ膜であるＨｆＯ膜の誘電率εは２５、ＺｒＯ膜の誘電率εは３５である。よって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を成膜した基板にマイクロ波を照射すると、シリコンの加熱を抑制しつつ、Ｈｉｇｈ−ｋ膜だけ選択的に加熱することができる。ここでは、誘電率εが１０以上のものをＨｉｇｈ−ｋ膜と定義する。
【００４９】
実験結果によると、ハイパワーのマイクロ波を照射する方がＨｉｇｈ−ｋ膜の改質効果が大きい。ハイパワーのマイクロ波を照射すると、急速にＨｉｇｈ−ｋ膜の温度を上昇させることができる。
これに対して、比較的低パワーのマイクロ波を長時間照射した場合は、改質プロセス中に基板全体の温度が高くなってしまう。時間が経過すると、シリコン自身がマイクロ波により誘電加熱されるのと、マイクロ波が照射される基板表面のＨｉｇｈ−ｋ膜から基板裏面側のシリコンへの熱伝導により、シリコンの温度も上昇してしまうからである。ハイパワーのマイクロ波を照射する場合に膜の改質効果が大きい理由は、基板全体が温度上昇し上限温度に達するまでの時間内に、誘電体を誘電加熱により高い温度まで加熱することができるためと考えられる。
【００５０】
そこで、本実施形態では、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の形成された基板表面側にエネルギーの強い直接波を照射し、誘電体と基板との加熱差をより大きくするようにした。
【００５１】
続いて、基板の冷却効率を向上させるための方法を説明する。
例えば、マイクロ波を照射中に、基板２００を冷却することで、基板２００の温度上昇を抑制することが出来る。基板２００を冷却するには、例えば、処理室２０１ａ内に導入する不活性ガス（例えばＮ２ガス）の流量を多くする、そしてその流量を制御することで、基板２００の温度制御を行うこともできる。
【００５２】
また、積極的にＮ２ガスの冷却効果を使用する場合は、ガス供給管２５２を基板支持台２１２に設け、基板２００と基板支持台２１２の間にガスを流すことにより、ガスによる冷却効果向上を図ることもできる。このガスの流量を制御することにより、基板２００の温度制御を行うこともできる。
【００５３】
本実施例ではＮ２ガスを使用しているが、プロセス的に安全性に問題がなければ、熱伝達率の高い他のガスを使用しても良い。たとえば、希釈ＨｅガスなどをＮ２ガスに追加し、基板冷却効果を向上することも出来る。
【００５４】
あるいは、基板支持台２１２内に冷却水流量計２３１、開閉バルブ２３２、冷却水経路２３３のような冷媒を循環させる冷却流路を設けるようにしてもよい。
【００５５】
続いて、本実施形態における基板処理の実施例を説明する。
この基板処理において、基板材料はシリコンであり、その表面にＨｉｇｈ−ｋ膜であるジルコニア酸化物（ＺｒＯ）が形成されている。
また、この基板処理動作は、制御部３００により制御される。この基板処理は、次に述べるように、基板搬入工程、不活性ガス置換工程、加熱処理工程、基板搬出工程の順に行われる。
【００５６】
（基板搬入工程）
基板２００を処理室２０１ａ内に搬入する基板搬入工程において、まず、ゲートバルブ１２８を開き、処理室２０１ａと搬送室１２１とを連通させる。次に、処理対象の基板２００を、基板移載機１２４により、搬送室１２１内から処理室２０１ａ内へ搬入する。処理室２０１ａ内に搬入された基板２００は、基板移載機１２４により、基板支持ピン２１３上に載置される。基板移載機１２４が処理室２０１ａ内から搬送室１２１内へ戻ると、ゲートバルブ１２８が閉じられる。
【００５７】
（不活性ガス置換工程）
基板２００を基板支持ピン２１３に載置した後、加熱処理工程で基板２００に悪影響を及ぼさないよう、ガス排出管２６２から、真空ポンプ２６４により処理室２０１ａ内のガス（雰囲気）を排出するとともに、ガス供給管２５２から、不活性ガスであるＮ２ガスを処理室２０１ａ内に導入し、処理室２０１ａ内をＮ２ガスに置換する。Ｎ２ガスに置換後、あるいはＮ２ガスに置換中に、圧力調整バルブ２６３を調整して、処理室２０１ａ内の圧力を所定の値、本実施形態では大気圧に調整する。
【００５８】
また、処理室２０１ａ内の圧力調整後、あるいは圧力調整中において、ガス排出管２６２に設置した酸素濃度計２６５により、処理室２０１ａ内のガスの酸素濃度を検出し、その酸素濃度が所定の閾値（１〜１０ｐｐｍ）以下になるよう管理する。
処理室２０１ａ内の酸素濃度が所定の閾値を超えている場合は、所定の閾値以下になるまで、処理室２０１ａ内の排気と処理室２０１ａ内へのＮ２ガス導入を続行する。
【００５９】
（加熱処理工程）
処理室２０１ａ内の圧力が所定値になり、処理室２０１ａ内の酸素濃度が所定の閾値以下になった後、その圧力値を保ち酸素濃度を所定の閾値以下に保った状態で、出力８００〜１６００Ｗのマイクロ波を所定の時間、例えば５〜１０分間、基板２００に照射して、基板２００を加熱処理する。このとき、本実施形態では、処理室２０１ａ内へのＮ２ガス導入と処理室２０１ａ内からの排気を継続するが、ガス導入と排気を停止した状態でマイクロ波照射することもできる。
所定の時間、基板２００を加熱処理した後、マイクロ波を停止する。
【００６０】
（基板搬出工程）
加熱処理工程が終了すると、基板搬入工程に示した手順とは逆の手順により、加熱処理した基板２００を処理室２０１ａ内から搬出し、搬送室１２１内へ搬送する。
【００６１】
上述の実施例で基板処理された基板の膜構成を図４に示す。図４は、本発明の実施形態に係る基板の膜構成図である。４３は下地を形成するシリコン基板である。シリコンの下地膜４３の上に、ＴｉＮ膜４２が形成され、その上にＺｒＯ膜４１が形成されている。上述の実施例では、ＺｒＯ膜４１の上方からマイクロ波加熱処理を行った。
【００６２】
マイクロ波加熱処理後に、基板のＸＲＤ（Ｘ線回折）分析を行った結果を図５に示す。図５は、本発明の実施形態に係るマイクロ波加熱処理後のＸＲＤ分析結果を示す図である。図５において、縦軸は回折Ｘ線強度（単位：ｃｐｓ）であり、横軸は回折角度（単位：ｄｅｇ）である。回折Ｘ線強度は結晶化強度を表す。図中の５１は、膜厚が３ｎｍである薄膜のＺｒＯ膜４１が４５０℃に加熱されるように、マイクロ波加熱処理を５分間実施した場合のグラフである。図中の５２は、膜厚が６ｎｍである厚膜のＺｒＯ膜４１が４５０℃に加熱されるように、マイクロ波加熱処理を５分間実施した場合のグラフである。５３は、マイクロ波加熱処理を行っていない解析結果を示すグラフである。
なお、図５において、ＺｒＯ２（１０１）は、Ｈｉｇｈ−ｋ絶縁膜を意味し、ＴｉＮ（２０２）は、金属ゲート絶縁膜を意味する。
図５では、縦軸の値が大きいほど部分ほど、結晶化が進んでいることを示す。グラフ５１とグラフ５２から、回折角度が約３０度であるＺｒＯ膜４１（ＺｒＯ２）は、薄膜の場合も厚膜の場合も結晶化が進んでおり、ＺｒＯ膜４１の下地の、回折角度が約６１度であるＴｉＮ膜４２は、薄膜の場合も厚膜の場合も結晶化が進んでいないことが分かる。
【００６３】
図６は、従来技術のＲＴＡ加熱処理後のＸＲＤ分析結果を示す図である。
図６も図５と同様に、縦軸は回折Ｘ線強度（単位：ｃｐｓ）であり、横軸は回折角度（単位：ｄｅｇ）である。図中の６１は、膜厚が３ｎｍである薄膜のＺｒＯ膜４１が７００℃に加熱されるように、ＲＴＡ加熱処理を５分間実施した場合のグラフである。図中の６２は、膜厚が６ｎｍである厚膜のＺｒＯ膜４１が７００℃に加熱されるように、ＲＴＡ加熱処理を５分間実施した場合のグラフである。
グラフ６１とグラフ６２から、ＲＴＡ加熱(７００℃)においては、ＺｒＯ膜４１（ＺｒＯ２）は、薄膜の場合は厚膜の場合のように結晶化が進まず、ＺｒＯ膜４１の下地のＴｉＮ膜４２は、薄膜の場合も厚膜の場合も結晶化が進んでいないことが分かる。
【００６４】
図５と図６の結果より、マイクロ波加熱(４５０℃)の場合は、従来技術のＲＴＡ加熱(７００℃)と比べて、低温での結晶化が確認できた。また、従来のＲＴＡ処理では、図６に示す通り、ＺｒＯの結晶化状態が膜厚に依存しているが、マイクロ波加熱処理では、図５に示す通り、膜厚によらず結晶化が確認できた。
【００６５】
図７は、本発明の実施形態に係る厚膜のＺｒＯ膜４１の電気特性評価結果であり、酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）に対するゲートリーク電流を示す図である。図７において、縦軸はゲートリーク電流値（単位：Ｊｇ［Ａ／ｃｍ２］＠―１．０Ｖ）であり、横軸は酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ  ｒａｔｉｏ）である。７１は、４５０℃で３０分間のＲＴＡ加熱によるＮ２アニールを行った場合である。７２は、３００℃で５分間のマイクロ波加熱を行った場合である。７３は、マイクロ波加熱やＲＴＡ加熱によるＮ２アニールを行う前の状態を示す。
図７の電気特性評価結果より、マイクロ波加熱を行った場合を示す７２は、ＲＴＡ加熱によるＮ２アニールの場合７１よりも、ゲートリーク電流の低減が確認できる。
【００６６】
また、ＲＴＡを行ったＺｒＯ膜は膜厚が薄いほど下地のＴｉＮ膜が酸化されやすい。しかし、マイクロ波ではＲＴＡに比べ低温で選択的に処理を行うため、下地ＴｉＮ膜はあまり酸化影響を受けにくい。
図８は、マイクロ波加熱処理時の酸素濃度の違いにおける、ＺｒＯ膜下地の酸化状態の断面ＴＥＭ比較を示す図である。図８において、８１は、処理室内が酸素濃度２０％の高酸素濃度（ＡＴＭ）状態で加熱処理した場合であり、８２は、処理室内が酸素濃度１０ｐｐｍ以下の低酸素濃度状態（Ｌｏｗ  Ｏ２）で加熱処理した場合である。
【００６７】
高酸素濃度（ＡＴＭ）状態で加熱処理した場合は、処理室内雰囲気中の酸素成分が表面のＨｉｇｈ−ｋ膜、つまりＺｒＯ膜を通過して、下地ＴｉＮ膜と結合して界面にＴｉＯ、ＴｉＯＮなどの酸化膜を形成し構造が変化してしまう。しかし、酸素濃度１０ｐｐｍ以下の低酸素濃度状態（Ｌｏｗ  Ｏ２）で加熱処理した場合は、下地ＴｉＮ膜の酸化を抑制でき、膜構造を変化させることがない。よって、加熱処理前の酸素濃度管理を行うことで良好な膜特性を得ることができる。
【００６８】
図９は、本発明の実施形態に係る、マイクロ波加熱に用いるマイクロ波の周波数を変えた場合の、ＺｒＯ膜の結晶化強度を示す図である。図９において、縦軸は回折結晶化強度であり、横軸はマイクロ波加熱のパワーである。９１は固定周波数Ａの場合であり、９２は固定周波数Ｂの場合であり、９３は可変周波数の場合である。いずれの場合も、９００Ｗで５分間のマイクロ波パワーを照射した。図９に示す様に、可変周波数、固定周波数に関わらずＺｒＯ膜の結晶化強度が見られる事から、マイクロ波はＺｒＯ膜等のＨｉｇｈ−ｋ膜の結晶化に有効であると考えられる。
【００６９】
本実施形態によれば、少なくとも次の（１）〜（２）の効果を奏することができる。
（１）Ｈｉｇｈ−ｋ絶縁膜等の加熱処理や改質処理を低温で行えるとともに、該Ｈｉｇｈ−ｋ絶縁膜等の表面への酸化膜形成を抑制することができる。これにより、表面に形成された酸化膜に起因する絶縁膜の誘電率の低下を抑制できる。
（２）また、Ｈｉｇｈ−ｋ絶縁膜の下地膜の酸化を抑制することができる。これにより、下地膜に形成された酸化膜に起因する絶縁膜の誘電率の低下を抑制できる。
【００７０】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更が可能であることはいうまでもない。
また、上述の実施形態では、加熱処理工程においてＮ２ガスを使用しているが、プロセスの問題や、安全性の問題がなければ、熱伝達率の高い他のガス（例えば希釈Ｈｅガス）をＮ２ガスに追加し、ウェハの冷却効果を向上させてもよい。
また、上述の各実施形態では、ウェハに処理が施される場合について説明したが、処理対象はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパクトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。
【００７１】
本明細書には、少なくとも次の構成が含まれる。すなわち、
第１の構成は、
基板を支持する基板支持部を有する処理空間と、
前記処理空間にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
前記処理空間に不活性ガスを供給するガス供給部と、
前記処理空間からガスを排出するガス排出部と、
前記処理空間のガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、
前記基板支持部に基板が支持された状態で、前記酸素濃度検出部が検出した前記処理空間のガスの酸素濃度が閾値以下である場合に、前記マイクロ波供給部から前記処理空間にマイクロ波を供給するよう制御する制御部と、を備える基板処理装置。
【００７２】
第２の構成は、
基板を支持する基板支持部を有する処理空間と、
前記処理空間にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
前記処理空間に不活性ガスを供給するガス供給部と、
前記処理空間からガスを排出するガス排出部と、
前記処理空間のガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、を備える基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
前記基板支持部に基板が支持された状態で、前記処理空間に不活性ガスを供給し、前記処理空間を不活性ガスに置換するガス置換工程と、
前記処理空間を所定の処理圧力に調整する圧力調整工程と、
前記処理空間のガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出工程と、
前記酸素濃度検出工程で検出された酸素濃度が閾値以下の場合に前記処理空間にマイクロ波を供給する工程と、を備える半導体装置の製造方法。
【００７３】
第３の構成は、
第２の構成の半導体装置の製造方法であって、
前記基板支持部に支持された基板は、シリコン基板の上に金属膜が形成され、前記金属膜の上に誘電率が１０以上の誘電体膜を有する基板である半導体装置の製造方法。
【００７４】
第４の構成は、
第２の構成又は第３の構成の半導体装置の製造方法であって、
前記酸素濃度検出工程で検出された酸素濃度が閾値より高い場合に、前記ガス置換工程と前記圧力調整工程を実施する半導体装置の製造方法。
【００７５】
第５の構成は、
第２の構成又は第４の構成の半導体装置の製造方法であって、
前記酸素濃度検出工程で検出された酸素濃度が１〜１０ｐｐｍの場合に、前記処理空間にマイクロ波を供給する工程を実施する半導体装置の製造方法。
【００７６】
第６の構成は、
第２の構成又は第５の構成の半導体装置の製造方法であって、
前記基板には、Ｈｉｇｈ−ｋ膜(ジルコニア酸化物又はハフニウム酸化物)、Ｍｅｔａｌ膜（ＴｉＮ、Ｗ、ＮｉＳｉ、Ｃｕ等）、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜、Ｅｐｉ−Ｓｉ/ＳｉＧｅ膜のうち、少なくともいずれか１つの膜が形成されており、これらの膜をマイクロ波加熱する半導体装置の製造方法。
【００７７】
第６の構成は、
第１の構成の基板処理装置であって、
前記マイクロ波供給部は、インピーダンス整合するためのマッチング機構を備え、供給するマイクロ波の周波数を固定、又は可変である基板処理装置。
【００７８】
第７の構成は、
第１の構成又は第６の構成の基板処理装置であって、
前記マイクロ波供給部から前記処理空間にマイクロ波を供給することにより、基板に形成されていた膜の結晶化促進、リーク電流の低減、界面酸化抑制、不純物除去、低温加熱を行う基板処理装置。
【符号の説明】
【００７９】
１００…ポッド、１００ａ…キャップ、１０５…ロードポート、１０６…ノッチ（オリフラ）合わせ装置、１０８…ポッドオープナ、１１８…クリーンユニット、１２１…搬送室、１２４…基板移載機、１２５…搬送室筐体、１２８〜１３０…ゲートバルブ、１３１…基板移載機エレベータ、１３２…リニアアクチュエータ、１３４…基板搬入搬出口、１３６…クロージャ駆動機構、１４２…クロージャ、２００…基板、２０１…第１処理炉、２０１a…処理室、２０２…第２処理炉、２０３…第３処理炉、２１２…基板支持台、２１３…基板支持ピン、２１８…処理室筐体、２２０…マイクロ波発生部、２２１…導波路（導波管）、２２２…導波口、２２３…マッチング機構、２３１…冷却水流量計、２３２…開閉バルブ、２３３…冷却水経路、２５２…ガス供給管、２５３…開閉バルブ、２５４…流量制御装置、２５５…ガス供給源、２６２…ガス排出管、２６３…圧力調整バルブ、２６４…真空ポンプ、２６５…酸素濃度計、２７１…基板搬送口、３００…制御部。
【図１】
2013146118.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013146118.tif 000009
【図８】
2013146118.tif 000010
【図９】
2013146118.tif 000011
【国際調査報告】
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2013146118.tif 000014
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