(57)【要約】【課題】成膜工程で基板上に銅等の金属膜を形成した後、引き続いて該金属膜の安定化を図る為、熱処理を短時間で行うことができる基板熱処理方法及び基板熱処理装置を提供すること。【解決手段】金属膜が形成された基板３の該金属膜を安定化させるための基板熱処理装置であって、基板３を保持する基板保持ヘッド４と、該基板保持ヘッド４に対向する位置にある基板支持台７と、基板３の金属膜を加熱する加熱手段とを備え、基板保持ヘッド４に保持した基板３を基板支持台７に当接させ、この状態で基板３と基板支持台７の相対的運動による基板３と研磨パッド１の間で発生す摩擦熱により基板３の金属膜を加熱して熱処理する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属膜が形成された基板の該金属膜を安定化させるための基板熱処理装置であって、
前記基板を保持する基板保持ヘッドと、該基板保持ヘッドに対向する位置にある基板支持台と、前記基板の金属膜を加熱する加熱手段とを備え、
前記基板保持ヘッドに保持した基板を前記基板支持台に当接させ、この状態で前記加熱手段で該基板の金属膜を加熱して熱処理することを特徴とする基板熱処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の基板熱処理装置において、
前記加熱手段は前記基板と前記基板支持台の相対的運動による摩擦熱で該基板の金属膜を加熱する手段であることを特徴とする基板熱処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載の基板熱処理装置において、
前記加熱手段は、前記基板と前記基板支持台の間に存在する熱媒体に振動を与え、該振動エネルギーから変換された熱媒体の熱により金属膜を加熱する手段であることを特徴とする基板熱処理装置。
【請求項４】
金属膜が形成された基板の該金属膜を安定化させる基板熱処理方法であって、
前記基板を基板保持ヘッドに保持し、該基板を基板支持台に当接させ、この状態で該基板の金属膜を加熱して熱処理することを特徴とする基板熱処理方法。
【請求項５】
請求項４に記載の基板熱処理方法において、
前記基板の金属膜の加熱は、該基板と前記基板支持台の相対的運動による摩擦熱により行うことを特徴とする基板熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板等の基板に形成された銅（Ｃｕ）等の金属膜を加熱して安定化させる基板熱処理装置及び基板熱処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造工程において、金属膜、特にめっきによる銅膜を形成した後、銅膜の安定化（主として再結晶による結晶粒径の増加による比抵抗の低減）を図る為、熱処理（アニール）又は室温で長時間放置（セルフアニール）するのが一般的である。熱処理後、温度が低下し、金属膜が安定したら、基板は化学機械研磨装置（ＣＭＰ）に搬送し、基板上の半導体素子部分の不必要な部分を削り落としている。
【特許文献１】ＵＳＰ６，１３６，１６３明細書
【特許文献２】特開平１０−１６３２０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来のアニール処理では、アニール炉内を非酸化雰囲気にして基板を設定温度（約２００〜４００℃）に昇温するまで、及び冷却して常温に戻すまでに長時間要するという不都合がある。また、セルフアニールの場合でも通常数十時間オーダの時間を要するという不都合がある。また、アニール後に、化学・機械的研磨するためにはアニール装置とは別の化学・機械的研磨装置に基板を搬送するため、更に時間がかかるので、単位時間当りの半導体処理枚数（スループット）の向上を著しく阻害するという問題がある。特許文献１では、同一装置内にアニール装置、銅めっき装置、スピン乾燥装置を備えている。また、特許文献２では、同一装置内に銅めっき装置と化学・機械的研磨装置を備えている。しかしながら、これら特許文献１及び２に記載の装置においても、基板熱処理に長時間を要するという問題は解決できない。
【０００４】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、成膜工程で基板上に銅等の金属膜を形成した後、引き続いて該金属膜の安定化を図る為、熱処理を短時間で行うことができる基板熱処理装置及び基板熱処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、金属膜が形成された基板の該金属膜を安定化させるための基板熱処理装置であって、基板を保持する基板保持ヘッドと、該基板保持ヘッドに対向する位置にある基板支持台と、基板の金属膜を加熱する加熱手段とを備え、基板保持ヘッドに保持した基板を基板支持台に当接させ、この状態で加熱手段で該基板の金属膜を加熱して熱処理することを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板熱処理装置において、加熱手段は基板と基板支持台の相対的運動による摩擦熱で該基板の金属膜を加熱する手段であることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の基板熱処理装置において、加熱手段は、基板と基板支持台の間に存在する熱媒体に振動を与え、該振動エネルギーにより加熱された熱により金属膜を加熱する手段であることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、金属膜が形成された基板の該金属膜を安定化させる基板熱処理方法であって、基板を基板保持ヘッドに保持し、該基板を基板支持台に当接させ、この状態で該基板の金属膜を加熱して熱処理することを特徴とする。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の基板熱処理方法において、基板の金属膜の加熱は、該基板と基板支持台の相対的運動による摩擦熱により行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、基板保持ヘッドに保持した基板を基板支持台に当接させ、この状態で加熱手段で該基板の金属膜を加熱し熱処理するので、基板保持ヘッド及び研磨テーブルを具備し、該基板保持ヘッドで保持した基板を該研磨テーブルの研磨面に押圧し、該基板と研磨面の相対的運動により基板を研磨する研磨装置を設けるか、該研磨装置を有する装置であれば、基板に金属膜を形成した後、該研磨装置を利用して短時間で基板の熱処理、及び化学・機械的研磨が同一装置又は同一場所により行われるため、従来の熱処理装置から、化学・機械的研磨装置への搬送が不要となり、単位時間当りの処理枚数（スループット）を向上させることができる基板熱処理装置を提供できる。更に、従来、個別に設けていた熱処理装置が不要になるため、装置の設置面積が減少する。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、加熱手段は基板と基板支持台の相対的運動による摩擦熱で該基板の金属膜を加熱する手段であるので、上記構成の研磨装置を利用して容易にしかも短時間で基板熱処理ができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、基板と基板支持台の間に存在する熱媒体に超音波発生手段から振動を与え、振動エネルギーにより熱媒体を加熱しその熱で金属膜を加熱し熱処理するので、研磨装置に超音波発生手段等の振動エネルギー供給手段を設けるだけで、容易にしかも短時間で基板熱処理ができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、基板を基板保持ヘッドに保持し、該基板を基板支持台に当接させ、この状態で該基板の金属膜を加熱して熱処理するので、基板保持ヘッド及び研磨テーブルを具備し、該基板保持ヘッドで保持した基板を該研磨テーブルの研磨面に押圧し、該基板と研磨面の相対的運動により基板を研磨する研磨装置を設けるか、該研磨装置を有する装置であれば、基板に金属膜を形成した後、該研磨装置を利用して短時間で基板熱処理、及び化学・機械的研磨が同一装置又は同一場所により行われるため、従来の熱処理装置から、化学・機械的研磨装置への搬送が不要となり、単位時間当りの処理枚数（スループット）を向上させることができ基板熱処理方法を提供できる。更に、従来、個別に設けていた熱処理装置が不要になるため、装置の設置面積が減少する。
【００１４】
請求項５に記載の発明によれば、基板の金属膜の加熱は、該基板と基板支持台の相対的運動による摩擦熱により行なうので、上記構成の研磨装置を利用して容易にしかも短時間で基板熱処理ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る基板熱処理方法を実施できる化学・機械的研磨装置（ＣＭＰ）の概略構成を示す図である。化学・機械的研磨装置１０は、研磨対象対象の基板３を基板保持ヘッド４と、基板３を研磨するための研磨パッド１を表面に備えた基板支持台７、更に該基板支持台７を支持し回転する支持回転軸２を備えている。基板保持ヘッド４は駆動手段（図示せず）により、回転軸５を中心に回転するようになっており、基板支持台７も駆動手段（図示せず）により支持回転軸２を中心に回転するようになっている。また、化学・機械的研磨装置１０はノズルやシャワーヘッドからなるスラリー供給手段６を備えている。
【００１６】
本発明に係る基板熱処理方法は化学・機械的研磨装置１０を用いて行うなう。半導体製造工程において、基板３上に金属材料からなる膜を形成した後、基板研磨装置１０に基板３を搬送する。該基板３を基板保持ヘッド４で保持し、基板支持台７の研磨パッド１の上面に押し当て、この状態のまま基板保持ヘッド４、及び基板支持台７を所定方向に回転させる。この時、スラリー供給手段６から研磨パッド１の上面にスラリーは供給しない。これにより、基板３と研磨パッド１の相対的運動により、その間に摩擦熱が発生する。該摩擦熱により基板３の金属膜が加熱され、加熱処理される。
【００１７】
上記のように基板熱処理は、基板３上に金属膜を形成後、該金属膜を構成する金属材料の再結晶、及び結晶粒の成長を促進することによって結晶粒径を均一且つ安定な状態にするために行う。基板熱処理に必要な温度は金属材料が銅の場合は１００〜４００℃、好ましくは１００℃〜２００℃で、更に好ましくは１５０℃〜２００℃である。
【００１８】
図２は本発明に係る基板熱処理方法を実施する装置の平面概略構成例を示す図である。本装置１１は、内部に図１に示す構成の化学・機械的研磨装置１０、成膜装置１３、洗浄・乾燥装置１４、及び基板３を搬送する搬送装置１６を備えている。化学・機械的研磨装置１０は、基板支持台７、基板３を保持する基板保持ヘッド４、該基板保持ヘッド４を上下動及び旋回動させる基板保持ヘッド移動機構８を具備する。更に、装置１１に基板３を出し入れするためのロードアンロード部１２を備えている。
【００１９】
基板３がロード・アンロード部１２に搬送される際には、基板カセット１５内に複数枚収納され、基板カセット１５ごとロード・アンロード部１２に搬入され載置されている。搬送装置１６はロード・アンロード部１２に載置された基板カセット１５から１枚つづ基板３を取出し、成膜装置（例えば、めっき装置）１３でＣｕ等の金属膜を形成する。金属膜が形成された基板３は搬送装置１６により、洗浄・乾燥装置１４に運ばれ、洗浄され、乾燥される。乾燥された基板３は化学・機械的研磨装置１０に運ばれる。
【００２０】
化学・機械的研磨装置１０の基板保持ヘッド４は、基板支持台７外の所定位置で基板３を受け取り保持し、基板保持ヘッド移動機構８により基板支持台７上に旋回移動され、更に下降し、その保持する基板３を基板支持台７の研磨パッド１上に所定の押圧力で当接させる。基板保持ヘッド４と基板支持台７とは互いに回転しており、その相対的回転運動により、基板３と研磨パッド１の間に摩擦熱が発生し、該摩擦熱による基板３に形成された金属膜を加熱し、熱処理する。熱処理中の基板３の温度を測定するため、温度センサを設ける。該温度センサとしては、例えば図１に示すように、研磨パッド１と支持台７の間に埋め込んだ熱電対１７、基板３と基板保持ヘッド４の間に埋め込んだ熱電対１８を用いる。また、図示は省略するが、基板支持台７に温度センサを埋め込み、研磨パッド１に穴を設け、該穴を通して基板３に非接触で温度を測定する。これにより、基板３の金属膜の温度を略接触するような形態で計測することが可能なため、従来のアニール装置における非接触温度測定に比べて温度を正確に測定することができる。よって、金属膜の熱処理による安定化がより効果的に行われる。熱処理の終了した基板は、続けて同じ化学・機械的研磨装置１０で研磨処理をすることもできる。
【００２１】
基板熱処理のための基板３の加熱方法には、例えば基板３に超音波を当てその振動エネルギーで基板を加熱する方法がある。例えば、図３に示すように、基板保持ヘッド４に保持された基板３と支持台７の研磨パッド１の間にある熱媒体（ガスや液体）１９に、基板支持台７に設けた超音波発生手段２０又は基板保持ヘッド４に設けた超音波発生手段２１から超音波振動を与え、この振動エネルギーで熱媒体１９を加熱して、基板３の金属膜を加熱する。
【００２２】
上記摩擦熱や熱媒体の振動による熱処理において、熱処理に必要な熱処理温度に達しない場合には、補助加熱手段を用いる。補助加熱手段としては図４に示すように、基板支持台７の研磨パッド１に高温の流体（ガスや液体）を供給するノズル２２を備え、該ノズル２２に流体２３を加熱する加熱手段２４を設ける。加熱手段２４としては、例えば内部に電熱コイルを配置し、流入する流体２３を直接又は間接的に加熱する。流体２３は液体でも気体でもよい。気体の場合は、基板上の金属膜に影響を与えない窒素ガスやアルゴンガスがある。また、加熱手段２４としては上記のように基板熱処理時に熱媒体１９を振動させて加熱させる超音波発生手段を用いることもできる。加熱手段２４に超音波発生手段を用いることにより、流体を超音波振動エネルギーで加熱する。これにより基板支持台７に超音波発生手段を設けるよりも、研磨パッド１を加熱することが容易となる。
【００２３】
摩擦熱で基板熱処理をする場合、予想される摩擦熱量及び半導体ウエハ温度を以下に示す。ここで、半導体ウエハの外径２００ｍｍ、研磨パッド１の摩擦係数０．２５、基板３の研磨パッドへの押圧２００ｇｆ／ｃｍ2、研磨パッド１の動摩擦係数０．２、基板３の運動線速度２ｍ／ｓ（ここで運動線速度とは基板３と研磨パッド１の相対速度を示す。測定点は基板中心を結んだ線上であり、基板面内である）、単位時間あたりの基板に生じる摩擦熱０．２ｋｇｆ／ｃｍ2×３１４ｃｍ2×０．２×２ｍ／ｓ＝２４７Ｊ／ｓ、基板一枚の重量５０ｇ、Ｓｉの熱容量Ｃｐ０．７１２Ｊ／ｇ・Ｋ、２４７Ｊ／ｓ÷５０ｇ÷０．７１２Ｊ／ｇ・Ｋ＝７Ｋ／ｓ。よって、断熱状態であれば７℃／ｓの熱上昇速度にて基板温度は増加する。よって、温度２５℃から想定するアニール温度１００〜２００℃まで、１０〜２５ｓ程度の短時間で到達する。従って、極めて短時間で基板の熱処理ができる。
【００２４】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、研磨装置は化学・機械的研磨装置に限定されるものではなく、基板保持ヘッド及び研磨テーブルを具備し、該基板保持ヘッドで保持した基板を該研磨テーブルの研磨パッドに押圧し、該基板と研磨面の相対的運動により基板を研磨する研磨装置であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る基板熱処理方法を実施する化学・機械的研磨装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明に係る基板熱処理方法を実施する装置の平面構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る基板熱処理装置の概略構成を示す図である。
【図４】本発明に係る基板熱処理装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１      研磨パッド
２      支持回転軸
３      基板
４      基板保持ヘッド
５      回転軸
６      スラリー供給手段
７      基板支持台
８      基板保持ヘッド
１０    化学・機械的研磨装置
１１    装置
１２    ロード・アンロード部
１３    成膜装置
１４    洗浄・乾燥装置
１５    基板カセット
１７    熱電対
１８    熱電対
１９    熱媒体
２０    超音波発生手段
２１    超音波発生手段
２２    ノズル
２３    流体
２４    加熱手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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