(57)【要約】【課題】  薄膜の熱膨張収縮率を測定し、その結果を応用すること。【解決手段】  ヒータ２１により試料６０を加熱し所定の温度に保持したまま、Ｘ線源１０から薄膜試料２０にＸ線を入射し、反射するＸ線をＸ線検出器３０によって検出する。検出されたＸ線反射率から、所定の温度での薄膜６１の膜厚を算出する。次にさらに温度を上げて、薄膜６１の膜厚を算出する。このようにして得られた各温度ごとの膜厚から薄膜の熱膨張収縮率又は熱膨張収縮率を得る。昇降温を任意にプログラムして、測定した熱膨張収縮率により薄膜キュア条件を決定することができる。さらにマルチチャンバシステムに組み込み、成膜条件を調整できる。【選択図】      図４
2005106810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜試料にＸ線を入射するＸ線源と、
前記薄膜試料から反射するＸ線を検出するＸ線検出器と、
前記薄膜試料を支持する試料支持台と、
前記薄膜試料の温度を制御する試料温度制御部と、
熱膨張収縮率を得るための制御及び演算を自動実行する制御演算部とを備え、
前記薄膜試料の温度を前記試料温度制御部により所定の温度の一つに保持し、前記所定の温度ごとにＸ線反射率を測定し、該Ｘ線反射率から前記薄膜の膜厚を算出し、前記所定の温度ごとに算出された膜厚から熱膨張収縮率を算出する熱膨張収縮率自動測定装置。
【請求項２】
ある範囲で膨張収縮率が変化する場合、当該範囲毎の熱膨張収縮率を算出する請求項１に記載の熱膨張収縮率自動測定装置。
【請求項３】
前記薄膜試料及び試料加熱部と、前記Ｘ線検出器とが所定の角度を保持して連動する機構を備える請求項１又は２に記載の熱膨張収縮率自動測定装置。
【請求項４】
薄膜試料にＸ線を入射するＸ線源と、
前記薄膜試料から反射するＸ線を検出するＸ線検出器と、
前記薄膜試料を支持する試料支持台と、
前記薄膜試料の温度を制御する試料温度制御部とを備え、
前記薄膜試料を前記試料温度制御部により所定の温度に保持して、Ｘ線反射率を測定し、該Ｘ線反射率から前記薄膜の膜厚を算出し、該膜厚の変化から熱膨張収縮率を算出する熱膨張収縮率測定装置。
【請求項５】
前記薄膜は、積層された複数の薄膜を含む請求項４に記載の熱膨張収縮率測定装置。
【請求項６】
薄膜試料にＸ線を入射するＸ線源と、
前記薄膜試料から反射するＸ線を検出するＸ線検出器と、
前記薄膜試料を支持する試料支持台と、
前記薄膜試料の温度を制御するプログラム可能な試料温度制御部とを備え、
前記温度制御部は、所定のプログラムに従って前記試料温度を制御し、所定の温度でＸ線反射率を測定し、該Ｘ線反射率から前記薄膜の膜厚を算出し、該膜厚の変化から熱膨張収縮率を算出する熱膨張収縮率測定装置。
【請求項７】
前記所定のプログラムは、昇温プログラムであって、前記試料温度を昇温させる請求項６に記載の熱膨張収縮率測定装置。
【請求項８】
前記所定のプログラムは、昇降温プログラムであって、前記試料温度を昇降温させる請求項６に記載の熱膨張収縮率測定装置。
【請求項９】
前記昇降温プログラムは、前記薄膜試料のキュア条件に含まれる昇降温レートをもつ請求項８に記載の熱膨張収縮率測定装置。
【請求項１０】
試料支持台に載置された薄膜試料の温度を、所定のプログラムに従って制御するステップと、
前記薄膜試料にＸ線を入射するステップと、
前記薄膜試料から反射するＸ線を検出するステップと、
前記検出されたＸ線の反射率から前記薄膜の膜厚を算出し、該膜厚の変化から熱膨張収縮率を算出するステップとを有し、
熱膨張収縮率を測定する熱膨張収縮率測定方法。
【請求項１１】
前記所定のプログラムは昇温プログラムであって、前記試料温度を昇温させる請求項１０に記載の熱膨張収縮率測定方法。
【請求項１２】
前記所定のプログラムは昇降温プログラムであって、前記試料温度を昇降温させる請求項１０に記載の熱膨張収縮率測定方法。
【請求項１３】
前記昇降温プログラムは、前記薄膜試料のキュア条件に含まれる昇降温プログラムである請求項１２に記載の熱膨張収縮率測定方法。
【請求項１４】
基板上に形成された薄膜にＸ線を入射するステップと、
前記薄膜から反射するＸ線を検出するステップと、
前記薄膜の温度を所定の昇降温プログラムに従って昇降させるステップと、
昇温時および降温時の所定の温度でＸ線反射率を測定するステップと、
前記Ｘ線反射率から前記薄膜の膜厚を算出し、該膜厚の変化から前記薄膜の熱膨張収縮率を算出するステップと、
前記算出された熱膨張収縮率に基いて前記昇降温プログラムを修正して前記薄膜形成工程におけるキュア条件を決定するキュア条件決定方法。
【請求項１５】
成膜装置により形成された薄膜を有する処理済基板のうちからランダムに１枚を選択するステップと、
前記選択された処理済基板にＸ線を入射するステップと、
前記処理済基板から反射するＸ線を検出するステップと、
前記処理済基板の温度を所定の昇降温プログラムに従って昇降させるステップと、
昇温時および降温時の所定の温度でＸ線反射率を測定するステップと、
前記Ｘ線反射率から前記薄膜の膜厚を算出し、該膜厚の変化から前記薄膜の熱膨張収縮率を算出するステップと、
前記算出された熱膨張収縮率に基づいて、前記成膜装置の成膜条件を調整する成膜条件調整方法。
【請求項１６】
少なくとも成膜チャンバを含む複数の処理チャンバと、該複数の処理チャンバに隣接し前記複数の処理チャンバに被処理基板を搬入搬出するための搬送装置を有する搬送チャンバとを有するマルチチャンバ処理装置であって、前記複数の処理チャンバの１つは熱膨張収縮率を測定する熱膨張収縮率測定チャンバであり、
前記熱膨張収縮率測定チャンバは、
Ｘ線源と、Ｘ線検出器と、被処理基板の温度を制御する温度制御部を備え、所定の昇降温プログラムに従って前記試料温度を昇降させ、検出されたＸ線反射率に基づいて薄膜の熱膨張収縮率を算出するマルチチャンバ処理装置。
【請求項１７】
半導体基板上に形成されたＬｏｗ−ｋ膜にＸ線を入射するステップと、
前記Ｌｏｗ−ｋ膜から反射するＸ線を検出するステップと、
前記Ｌｏｗ−ｋ膜の温度を所定の昇降温プログラムに従って昇降させるステップと、
昇温時および降温時の所定の温度でＸ線反射率を測定するステップと、
前記Ｘ線反射率から前記Ｌｏｗ−ｋ膜の膜厚を算出し、該膜厚の変化から前記Ｌｏｗ−ｋ膜の熱膨張収縮率を算出するステップと、
前記算出された熱膨張収縮率に基づいて、前記Ｌｏｗ−ｋ膜の合成条件を調整するＬｏｗ−ｋ膜合成条件調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱膨張率、熱収縮率又は熱膨張収縮率の測定又は応用に関し、例えば半導体薄膜の熱膨張収縮率の測定又は応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱膨張率、熱収縮率又は熱膨張収縮率を測定するためには、いくつかの方法がある。例えば、レーザ光の干渉を利用するレーザ熱膨張計がある。また熱機械分析装置による熱膨張率測定も行われている。レーザ熱膨張計は、例えば外径６〜７ｍｍ、長さ６〜１５ｍｍの試料を対象にして、試料加熱によるレーザの干渉縞の移動を検出して膨張率を算出し、測定精度±２０ｎｍ、分解能２ｎｍ程度で膨張率を得ることができる。また、熱機械分析装置による熱膨張率測定は、試料と標準試料との熱膨張による差を差動トランスで検出する。いずれも比較的大きなバルク試料を対象にしている。
【０００３】
近年、半導体製造工程において、層間絶縁膜としてＳｉＯ２に代えて、Ｃｕ配線の電気伝導速度を高くするために誘電率が低く配線の寄生容量が少ないＬｏｗ−ｋ膜が使用されるようになってきた。Ｌｏｗ−ｋ膜としては、例えばＦＳＧ（フッ化珪酸塩ガラス）、ＳｉＯＣ系、あるいは有機ポリマー等の有機系があるが、いずれもＳｉＯ２より熱膨張率が高い。すなわち、ＳｉＯ２の熱（線）膨張率は、０．４×１０−６（０．４ｐｐｍ／℃）に対して、有機系Ｌｏｗ−ｋ膜の熱（線）膨張率は、例えば２００ｐｐｍ、またＳｉＯＣ系にあっても、例えば２５ｐｐｍである。すなわち、ＳｉＯ２の熱（線）膨張率は、０．４ｐｐｍであるのに対して、Ｌｏｗ−ｋ膜の熱（線）膨張率は、数１０〜数１００ｐｐｍの範囲にある。また、ＳｉＯ２膜よりも誘電率の高い薄膜いわゆるＨｉｇｈ−ｋ膜（例えば、リーク電流を抑えるためにトランジスタのゲート絶縁膜に用いられる。）についても同様に、熱膨張率はＳｉＯ２より高い。
【０００４】
半導体製造工程においては、Ｃｕ配線が存在する層をＬｏｗ−ｋ膜で絶縁し、該絶縁膜にビアを設け、Ｃｕメッキを行ってビアを埋めて上下の配線を行うことが行われる。例えば、図１に断面を示すような構造である。図１において、１はＣｕ配線層、２はＬｏｗ−ｋ膜、３はバリア層である。このような薄膜が製造された後の工程では、Ｃｕ膜のアニールが２００〜４００℃で行われる。このとき、絶縁膜であるＬｏｗ−ｋ膜は膨張し、その後常温に戻ると収縮する。そして、Ｌｏｗ−ｋ膜とＣｕ膜とでその熱膨張率の差が大きいことが原因して、Ｌｏｗーｋ膜とＣｕ膜とが剥離するおそれがある。またＣＶＤ工程で、例えば４００〜５００℃に加熱されると、Ｌｏｗ−ｋ膜は同様に膨張し、常温に戻ると収縮する。この事情は、Ｈｉｇｈ−ｋ膜その他膨張率の大きな薄膜を使用する際に生じるもので、薄膜の膨張率が大きいと積層構造のデバイスに欠陥をもたらすことになりかねない。
【０００５】
そこで、薄膜の熱膨張収縮率の測定が求められることになる。ところが、従来の熱膨張率測定手段は数ｍｍの試料を対象にするので、１μｍ程度の薄膜の熱膨張率を測定するのは困難であった（特許文献１参照）。また、半導体製造に係る技術において、試料を装填したカセットに２箇所マークをつけ、マーク間距離に基づいて熱膨張率を求め、この熱膨張率からカセット温度すなわち試料温度を求める技術が公知であるが、薄膜の熱膨張率を求めようとするものではない（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１７８８７７
【特許文献２】特公平５−８３１３５号公報
【発明の開示】
【０００７】
本発明は、薄膜の熱膨張収縮率を自動的に測定できる熱膨張収縮率自動測定システム及び熱膨張収縮率測定装置を提供することを目的とすると共に得られた熱膨張収縮率を薄膜製造に利用することを目的とする。
【０００８】
本発明の第１の態様である熱膨張収縮率自動測定システムは、Ｘ線反射率測定手段により、薄膜試料を加熱しながら、所定の温度ごとにＸ線反射率を測定し、Ｘ線反射率から薄膜の膜厚を算出し、温度ごとに算出された膜厚から熱膨張収縮率を算出するものである。本発明は、これにより、精度良く測定された膜厚に基づいて、自動的に熱膨張収縮率を算出することができる。
【０００９】
また、ある範囲で膨張収縮率が変化する場合、その範囲毎の熱膨張収縮率を算出するようにすると、膨張収縮率が変化する場合にも適切な熱膨張収縮率を得ることができる。
【００１０】
さらに、本発明の第２の態様である熱膨張収縮率測定装置は、Ｘ線反射率測定ユニットと薄膜試料を加熱する試料加熱部とを備え、薄膜試料を加熱してＸ線反射率を測定し、Ｘ線反射率から薄膜の膜厚を算出し、該膜厚の変化から熱膨張収縮率を算出するものである。これにより従来の装置では実現できなかった薄膜の熱膨張収縮率を得ることができる。
【００１１】
本発明の第３および第４の態様である熱膨張収縮率測定装置および方法は、薄膜試料の温度を制御するプログラム可能な試料温度制御部を備え、温度制御部は、所定のプログラムに従って試料温度を制御し、所定の温度でＸ線反射率を測定し、該Ｘ線反射率から薄膜の膜厚を算出し、該膜厚の変化から熱膨張収縮率を算出することを特徴とする。本態様では、任意のプログラムに従って試料温度を制御できるので、必要な情報を正確に得ることができる。
【００１２】
本発明の第５の態様である薄膜加熱条件決定方法は、加熱工程を経て基板上に形成された薄膜にＸ線を入射し、前記薄膜の熱膨張収縮率を算出して、算出された熱膨張収縮率に基づいて前記加熱工程の昇降温プログラムを修正して前記加熱工程における最適加熱条件を決定することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第６の態様である成膜条件調整方法は、成膜装置により形成された薄膜を有する処理済基板のうちからランダムに１枚を選択して、選択された処理済基板にＸ線を入射し、前記薄膜の熱膨張収縮率を算出して、算出された熱膨張収縮率に基づいて成膜装置の成膜条件を調整することを特徴とする。
【００１４】
本発明の第７の態様であるマルチチャンバ処理装置は、複数の処理チャンバの１つは熱膨張収縮率を測定する熱膨張収縮率測定チャンバであり、前記熱膨張収縮率測定チャンバに配置される熱膨張収縮率測定装置は、Ｘ線による熱膨張収縮率を測定する熱膨張収縮率測定装置であることを特徴とする。本態様では、本発明による熱膨張収縮率の測定を量産装置に組み込むことができ、工程管理に役立てることができる。
【００１５】
本発明の第８の態様であるＬｏｗ−ｋ膜製造条件調整方法は、半導体基板上に形成されたＬｏｗ−ｋ膜にＸ線を入射し、Ｌｏｗ−ｋ膜の熱膨張収縮率を算出して、算出された熱膨張収縮率に基づいて、前記Ｌｏｗ−ｋ膜の製造条件を調整することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の熱膨張収縮率自動測定システムの実施の形態を説明する前に、本発明の前提となる考え方及び本発明で使用する測定法を説明する。
【００１７】
図２に示すような、Ｓｉ基板５上にＳｉ３Ｎ４６及びＬｏｗ−ｋ膜７を積層したものをヒータ４により加熱すると、図３に誇張して示したように、熱膨張率の差によりひずみが発生する。図の左右方向に変位する量が大きいので、図２の２点Ｐ１と点Ｐ２との距離の変化量を測定できれば膨張率が算出できる。しかしながら、図３に見られるように、長さＬ１に対応する長さＬ２を測定しても、真の膨張を示す長さは曲面（曲線）上の長さＬ３であるので、膨張率を知ることはできない。しかしながら、垂直方向に着目すれば、膜厚Ｔ１（図２）から膜厚Ｔ２（図３）への変化は、線膨張を真に表現していることがわかる。
【００１８】
本発明は、この考察に基づいて、膜厚Ｔ１及び膜厚Ｔ２を測定し、熱膨張率又は収縮率を求めるものである。
【００１９】
次に、本発明の熱膨張収縮率の測定に用いる膜厚測定法について説明する。本発明では、Ｘ線反射率測定法を用いて膜厚を測定する。Ｘ線反射率測定法は、Ｘ線回折装置を用いて、Ｘ線を薄膜試料表面に近接する小さい角度から徐々に入射角度を大きくして薄膜試料に入射し、入射角度に対するＸ線強度を連続的に検出するもので、最初全反射しているＸ線（検出される反射強度最大）が、臨界角以上になると薄膜を透過する成分が現れ、反射成分はそれだけ少なくなり、同時に薄膜表面で反射されるＸ線と薄膜を透過して次の界面（薄膜裏面）で反射されるＸ線とが干渉して、反射強度は振動しながら減衰してゆく。この振動の周期から膜厚を算出するものである。この膜厚測定法は公知である。
【００２０】
Ｘ線反射率測定法による膜厚測定は、（１）光干渉計を用いる膜厚測定と比較して、膜厚を測定する材料の光学定数の変化に無関係に膜厚を測定できるという利点を有し、（２）レーザ法（外部の点から表面までの距離を測定する）に比較して、分解能が高いという利点を有している。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
〔実施形態１〕
図４に、本発明システムの装置構成を示す。
Ｘ線源１０からのＸ線が試料６０（基板６２に薄膜６１が形成されている）に入射し、試料６０で反射したＸ線が検出器３０に入射する。検出器では検出器に入射されたＸ線の強度を測定する。試料６０は、試料載置台２０に載置され、試料載置台２０には、試料を加熱するためのヒータ２１が配置されている。試料加熱用ヒータは、温度制御部４０からの信号により所定の温度に制御される。Ｘ線源１０は固定されており、試料載置台２０及び温度制御部４０とは、Ｘ線の入射角θが臨界角以下の小さな角度から徐々に大きな角度になるように回動制御され、Ｘ線検出器は、試料６０からの入射Ｘ線と反射Ｘ線の成す角が２θとなる位置に配置されるように回動制御される。制御演算部５０が、システム全体の制御及び熱膨張収縮率の算出のために配置されている。結果は、表示部５１にグラフとともに表示される。
【００２２】
このようなシステムにおいて、制御演算部に入力されたプログラムに従って、熱膨張収縮率が自動的に算出される。
【００２３】
図５に、測定フローを示す。すなわち、まずステップＳ１では、常温（２０℃）で膜厚を測定する。すなわち、常温に保持された試料６０にＸ線を臨界角以下の小さな角度から初めて徐々に入射角度を大きくして、検出器に入射する反射Ｘ線の強度を検出して、振動減衰するＸ線強度の振動周期に基づいて薄膜６１の膜厚を得る。
【００２４】
ステップＳ２では、試料を常温から加熱して所定の温度になると、この温度を保持して、ステップＳ１と同様にして薄膜の膜厚を算出する。通常は、一定の温度差となるように温度を上昇させて、当該温度での膜厚を順次算出してゆく。例えば、２０℃から始めて２０℃の温度差ごとに２００℃まで膜厚を測定する。
【００２５】
ステップＳ３では、各温度間での膜厚の変化を算出する。ここで、温度による膜厚の変化率に大きな（誤差の範囲を超える）差があれば、熱膨張収縮率が変化したものであるから、熱膨張収縮率が変化する点（変曲点）を終点ないし始点として熱膨張収縮率を算出するようにする。
【００２６】
ステップＳ４では、以下の式に基づいて熱膨張収縮率を算出する。
（１）変曲点を持たない場合
〔（Ｔｃ−Ｔo）／（Ｔo×（ｔｃ−ｔo））〕×１０６
（２）変曲点を持つ場合
〔（Ｔｃ１−Ｔo）／（Ｔo×（ｔｃ１−ｔo））〕×１０６
ここで、Ｔｃ：測定終了温度における膜厚
Ｔｏ：測定開始温度における膜厚
Ｔｃ１：変曲点温度における膜厚
ｔｃ：測定終了温度
ｔo：測定開始温度
ｔｃ１：変曲点温度
なお、変曲点以降の熱膨張収縮率は、変曲点を測定開始点として算出する。
【００２７】
ステップＳ５では、例えば温度に対して膜厚がプロットされたグラフを、表示部に表示する。
【００２８】
図６及び図７に、温度と膜厚との関係の一例をグラフに示した。
図６では、常温（２０℃）で１０００オングストロームの薄膜を常温から２０℃きざみに膜厚を計測して、熱膨張率を算出したものである。この例では、１２０℃に変曲点（膨張率が変化する点）をもっており、熱膨張率が１００ｐｐｍから２４８ｐｐｍへ変化している。このような変曲点には、例えばガラス転移点が考えられる。このように、熱膨張率が途中で変化するような材質のものであっても、自動的に適切な熱膨張率が得られる。
【００２９】
図７は、熱収縮を示す材料の一例である。このような熱収縮は、例えば永久変形を起こす材料に見られる。同様に膜厚が１０００オングストロームの薄膜を常温から２０℃きざみに膜厚を計測したもので、熱収縮率は１５０ｐｐｍであった。
【００３０】
本実施形態では、試料を加熱しながら、膜厚を測定したが、試料を冷却するようにしてもよい。また、温度に対応する膜厚をすべて得てから熱膨張収縮率を算出したが、途中の温度においても適宜熱膨張収縮率を算出してもよい。また、表示装置に表示する内容及び形態も適宜採用できることはいうまでもない。
【００３１】
また、本実施形態では、説明を簡単にするために薄膜を１層として説明したが、Ｘ線反射率測定法を用いるので、当然のことながら複数の薄膜が積層されている場合にも適用可能であり、またその効果も大きい。すなわち、本発明は、薄膜表面で反射されるＸ線と薄膜を透過して次の界面（薄膜裏面）で反射されるＸ線との干渉を基に算出するものであるから、複数の薄膜が積層されている場合には、Ｘ線が複数の薄膜の界面で反射しつつ透過するので、一度の測定により複数の薄膜すべての熱膨張収縮率を算出できる。したがって、半導体基板上の積層膜のような複数の膜の熱膨張収縮率を算出するのに用いて効果が大きい。
【００３２】
〔実施形態２〕
本発明に基づいて、半導体ウェハ上に形成された各種薄膜について熱膨張収縮率を測定したところ、以下に説明するように、同一材料に対しても熱膨張率と熱収縮率とが必ずしも一致しないこと、また材料によっては熱膨張あるいは熱収縮における変化は直線ではなく曲線となることも判明した。さらに、昇降温速度が変化すると熱膨張収縮率も変化する場合があることも見出された。
【００３３】
したがって、半導体ウェハ上に形成された各種薄膜の熱膨張収縮率を測定するためには、昇温時および降温時ともに測定する必要があり、また実際の半導体製造工程の加熱工程と同様の昇降温レートで測定する必要がある。本発明の実施形態２では、測定対象の薄膜の温度をプログラマブルに昇降温させることができる測定装置を提供して、昇温速度および降温速度を制御して所望の熱膨張収縮率を自動的に測定できるようにする。
【００３４】
実施形態２の熱膨張収縮率測定装置は、実施形態１で説明した装置であって、薄膜試料の温度を制御するプログラム可能な試料温度制御部を備え、昇降温プログラムに従って試料温度を昇降させ、昇温時および降温時の所定の温度でＸ線反射率を測定し、該Ｘ線反射率から薄膜の膜厚を算出し、膜厚の変化から熱膨張収縮率を算出するものである。このプログラム可能な試料温度制御部は、図１の温度制御部４０として設けられることもできるが、制御演算部５０と温度制御部４０とから構成されてもよい。
【００３５】
図８に、熱膨張収縮率を測定するために設定された昇降温プログラムの一例を示す。昇降温プログラムは、Ｘ線熱膨張収縮率測定装置の被測定ステージの温度をコントロールするもので、横軸は時間で、縦軸は温度を示す。この例では、初期温度３０℃から１００℃、２００℃、３００℃まで上げ、次いで２００℃、１００℃を経て３０℃へ戻す例である。各温度で１０分間保持し、そのうち例えば７分間を使用してＸ線による膜厚測定を行なう。
【００３６】
その結果の一例を、図９および図１０に示す。
図９は、銅と、Ｌｏｗ−ｋ膜であるＬｏｗ−ｋ１、Ｌｏｗ−ｋ２それぞれの温度上昇時の膜厚変化および温度降下時の膜厚変化を示す。実線が、加熱すなわち昇温時であり、破線が、冷却すなわち降温時を示す。Ｌｏｗ−ｋ２では、加熱してゆくと１００℃を超え２００℃に達するまでは、一定の割合で昇温してゆくが、２００℃を超えると３００℃までほとんど一定値で推移しており、冷却してゆくと昇温時と同様の軌跡を描いて降温してゆく。しかしながら、Ｌｏｗ−ｋ１では、冷却時には３００〜２００℃は膜の収縮率が大きく、２００℃〜常温では膜の収縮率が小さくなっている。
【００３７】
また、図１０は、図９のものとは異なるＬｏｗ−ｋ膜であるＬｏｗ−ｋ３のデータを示す。図１０によると、加熱して温度を上げてゆくと、膜厚は、約２５４４Åから膨張し、２００℃で２５６０Åまでに達し、そこからは３００℃まで上げても膨張することがない。次に３００℃で加熱することなく放置すると２５５０Åまで収縮し、収縮した状態で冷却してゆくとほぼ直線的に２５２６Åまで収縮した。図に示すとおり、昇温時と降温時とがまったく別の道をたどっている。これは、膜がまだ完成しておらず、３００℃でＬｏｗ−ｋ膜のある成分が蒸発して１０Å縮むことになったと推定できる。常温に戻ると加熱冷却の間で１８Åの差が生じている。これでは残留ストレスによりＬｏｗ−ｋ膜の剥離が発生することが予想される。
【００３８】
このように、本実施形態によれば、さまざまな条件のもとでの熱膨張収縮率の測定が可能で、特に実際の加熱工程と同じ昇降温レートで熱膨張収縮率を測定することができ、この結果は半導体製造工程の管理に有効に利用できる。
【００３９】
図８には、昇温レートと降温レートが非常に急峻な昇降温プログラムを示したが、本発明は、このような昇降温プログラムに限らないことはいうまでもない。様々な昇温レートと降温レートを設定することが可能であり、任意の昇降温レートが簡単に実現できる。
【００４０】
〔実施形態３〕
実施形態３は、本発明により得られた熱膨張収縮率に基づいて、半導体製造工程にキュア条件を決定する方法に関する。
【００４１】
図１１を参照して、半導体デバイスの一例である半導体メモリを説明する。以下、本発明の理解に必要な部分のみを説明する。トランジスタ７１やコンデンサ７２などの回路部品が形成された層の上に、配線層が形成されている。各配線層は電気メッキで形成された銅配線７３とＬｏｗ−ｋ膜７４から成っている。このような半導体デバイスの製造工程中のキュア工程では、例えば、銅配線７３の特性向上のために、２５０℃から４００℃に加熱する。このとき、銅の再結晶と同時にＬｏｗ−ｋ膜の揮発成分の蒸発が起こり、銅配線がアニールされるとともに、Ｌｏｗ−ｋ膜がキュアされ、最終的に仕上がる。
【００４２】
キュア条件には、加熱温度、加熱速度、一定温度の保持時間、冷却速度、ガスの種類等がある。図１２に、Ｌｏｗ−ｋ膜をＬｏｗ−ｋ２で作成して、３０℃から３００℃にまで加熱するキュア条件の一例を示す。図１２の実線は、ｔ１からｔ４までの時間に３０℃から３００℃まで一定の勾配で加熱しで温度を上げ、ｔ４〜ｔ７まで３００℃で保持し、その後ｔ７〜ｔ９まで冷却して降温するものである。
【００４３】
ｔ１からｔ４までの昇温レート、ｔ４〜ｔ７までの保持時間、およびその後のｔ７〜ｔ９までの降温レートは、一般に個別の半導体製造工程に最適なように設定されているはずである。しかしながら、本発明による熱膨張収縮率の測定結果を考慮すると、半導体工程のより以上の改良が可能となる。すなわち、Ｌｏｗ−ｋ２は、本発明による熱膨張収縮率の測定によると、図９に示す特性をもっていることがわかっている。この特性は、３０℃から２００℃までは、一定の割合で膨張しているが、２００℃を超えると膜厚の膨張がみられない。２００℃から３００℃までは温度に関係なく一定の膜厚を保持するものである。この特性を考慮すると、２００℃までは通常の割合で温度をあげてゆき、２００℃を超えると一気に３００℃まで温度を上昇させることができる。なぜなら、２００℃〜３００℃では、どのように温度を上げても膜厚の変化がなく、膜に対してストレスはかからず、Ｌｏｗ−ｋ膜にストレスが残留して剥離する要因となることはないからである。
【００４４】
このような温度制御を図１２の破線に示す。この場合、ｔ１〜ｔ２までゆるやかな勾配で温度が上昇するように加熱し、ｔ２で２００℃に達すると、それ以降は急激にｔ３で３００℃まで温度を上昇させる。その後ｔ３〜ｔ５まで３００℃に保持し、ｔ５に達すると、急激にｔ６で２００℃になるまで降温させ、ｔ６からｔ８まではまた一定の勾配で冷却する。このようにすると、Ｌｏｗ−ｋ膜にストレスをかけることなく、加熱処理時間を（ｔ９−ｔ８）だけ時間を短縮できる。このようにして、従来の手法では発見できない最適キュア条件を決定することができる。
【００４５】
なお、図１２の例は、単なる一例であって、本発明による温度制御は、昇温レート、降温レート、保持時間等を任意に設定して実行できるので、システムに応じた昇降温曲線を用いて膨張収縮率を測定し、これに基いて最適キュアのための条件を決定することができる。
【００４６】
〔実施形態４〕
半導体製造工程において、最適キュア条件または最適昇降温曲線が決定された後は、それをプログラム化して量産工程に組み込むことになる。本実施形態は、量産工程において熱膨張収縮率を測定して製品管理に役立てるものである。
【００４７】
同一条件で１０００枚、１００００枚と半導体製品を量産する場合、例えば１００枚ごとに１枚を抽出して、本発明により熱膨張収縮率を測定する。ここで測定対象のＬｏｗ−ｋ膜の熱膨張率が１００ｐｐｍ、工程管理範囲が±５ｐｐｍである場合、測定された熱膨張率が１００ｐｐｍ±５ｐｐｍの範囲から大きく外れる場合、そのロットは不良と判定することができる。また、製品の良否だけではなく成膜工程の適否を判定することもできる。さらにガス流量、ガス圧力、加熱温度、保持時間等の成膜条件あるいは原材料の選定などを、熱膨張収縮率をモニタしながら調整することもできる。
【００４８】
図１３には、本実施形態による熱膨張収縮率測定チャンバを備えたマルチチャンバ処理装置を示す。マルチチャンバ処理装置は、複数の処理を所定の真空下で連続的に実行するために、搬送装置の周囲に複数の処理装置を組み合わせてなる装置である。図１３に概要を示したマルチチャンバ処理装置は、成膜等の処理を行なう複数の処理チャンバ８１〜８４と、これらの処理チャンバへ被処理基板を搬送するアーム９０等を有する搬送チャンバ９１と、この搬送チャンバとに被処理基板を搬入、搬出するカセットチャンバ１０１、１０２と、熱膨張収縮率測定チャンバ８５とを備える。処理チャンバ８１〜８４には、処理のために必要な装置を適宜配置することができるが、例えば、ＣＶＤ装置、エッチング装置、洗浄装置等を配置することができる。熱膨張収縮率測定チャンバ８５は、実施形態２で説明した装置構成を備えるもので、少なくともＸ線源と、Ｘ線検出器と、被処理基板の温度を制御する温度制御部を備え、所定の昇降温プログラムに従って前記試料温度を昇降させ、検出されたＸ線反射率に基づいて薄膜の熱膨張収縮率を算出するものである。
【００４９】
このマルチチャンバ処理装置では、処理チャンバ８１〜８４のいずれかでＣＶＤあるいはエッチングその他の処理を行なった後、これらの処理チャンバと同様の真空度に保たれた搬送チャンバ９１内のアームにより搬出して次の処理チャンバへ搬送し、次の成膜処理を行なう。成膜処理が終了した被処理基板は、例えば基板１００枚ごとに１枚を、熱膨張収縮率測定チャンバ８５に搬入して、生成された薄膜の熱膨張収縮率を測定して、製品の良否および成膜条件の適否を判定する。
【００５０】
先に説明したように、本発明によれば、積層されたウェハ上の複数の薄膜の熱膨張収縮率が同時に得られるので、成膜条件を監視するのに有効である。
【００５１】
〔実施形態５〕
本発明による熱膨張収縮率の測定方法は、Ｌｏｗ−ｋ膜の製造条件を決定する方法にも適用できる。本実施形態は、Ｌｏｗ−ｋ膜の熱膨張収縮率をモニタしながら、Ｌｏｗ−ｋ膜の合成条件を決定する方法に関する。
【００５２】
Ｌｏｗ−ｋ膜には、ＳｉｘＯｙＣｚＨｗからなる無機有機混合系の膜とＣｘＨｙＯｚからなる有機系の膜が代表的である。代表的な有機材料である、ポリエチレン、ポリスチレンおよびポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、半導体産業で使用される金属材料、Ｓｉ、ＳｉＯ2等の熱（線）膨張率を、図１４に示す。例えば、配線に用いるＣｕは２０ｐｐｍ、Ａｌは２９ｐｐｍ、バリアに用いるタンタルは６．６ｐｐｍ、無機のＳｉは２．４ｐｐｍである。有機材料は、他の材料に比較すれば大きな熱膨張率をもつことがわかる。ここで、図１４のＮｏ．１〜８まで、すなわちＷより大きい熱（線）膨張率であれば、本発明によって測定可能である。
【００５３】
Ｌｏｗ−ｋ膜は、通常Ｃｕ配線とともに使用されるので、Ｃｕの熱（線）膨張率である２０ｐｐｍに近いＬｏｗ−ｋ膜が望まれる。従来から、ベンゼン環を直鎖あるいは側鎖にもつように有機Ｌｏｗ−ｋ膜材料の分子を構成すると耐熱性が上がり、熱膨張率が小さくなることが知られている。しかしながら、従来は、Ｌｏｗ−ｋ膜の熱膨張率を測定しようとすることはなく、熱膨張率それ自体を指標にＬｏｗ−ｋ膜を開発しようとする発想はなかった。従来は、Ｌｏｗ−ｋ膜の開発は、比誘電率や耐熱性等を指標にして行なわれていたのである。しかしながら、耐熱性の測定は、材料を破壊してしまう場合もあり、耐熱性を測定することには困難があった。
本実施形態によれば、先に説明したＸ線を利用して薄膜の熱膨張収縮率の測定を可能にして、その測定結果を基にＬｏｗ−ｋ膜のベンゼン環の付与等の合成条件を決定する。本実施形態によると、熱膨張収縮率を、非破壊で容易に得ることができ、従来の耐熱性より直接的な熱膨張収縮率により判定できるので、課題となっているＣｕの熱膨張収縮率に近いＬｏｗ−ｋ膜の開発効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来の問題点を説明するための図である。
【図２】熱膨張による問題点を説明する図（その１）である。
【図３】熱膨張による問題点を説明する図（その２）である。
【図４】本発明による１実施形態である熱膨張収縮率測定システムを示す概略図である。
【図５】１実施形態の熱膨張収縮率測定システムの動作フローを示す図である。
【図６】本発明による熱膨張率の測定結果を説明する図である。
【図７】本発明による熱収縮率の測定結果を説明する図である。
【図８】実施形態２により熱膨張収縮率を測定するための昇降温プログラムの一例を示す図である。
【図９】本発明により求められた温度上昇および温度降下時の膜厚変化の相違を示す図（その１）である。
【図１０】本発明により求められた温度上昇および温度降下時の膜厚変化の相違を示す図（その２）である。
【図１１】半導体メモリの断面構造の概略を説明する図である。
【図１２】半導体製造工程における加熱冷却工程の温度制御を示す図である。
【図１３】本発明による熱膨張収縮率測定チャンバを備えたマルチチャンバ処理装置の概略を示す図である。
【図１４】代表的な材料の熱（線）膨張率を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０    Ｘ線源
２０    試料支持部
２１    ヒータ
３０    Ｘ線検出部
４０    温度制御部
５０    制御演算部
６０    試料
６１    薄膜
７１    トランジスタ
７２    キャパシタ
７３    銅配線
７４    Ｌｏｗ−ｋ膜
８１〜８４    処理チャンバ
８５    熱膨張収縮率測定チャンバ
９０    搬送チャンバ
１０１、１０２    カセットチャンバ
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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