(57)【要約】【課題】本発明は半導体製造工程の配線工程において、加熱すべき対象材料を選択的に加熱することにより熱処理装置の省エネルギ化及び低温加熱を達成し、対象材料を改質することを課題とする。【解決手段】輻射加熱により熱処理を行なう半導体製造装置において、処理チャンバ１の外壁の一部として透過窓４が設けられる。レーザ源５から出力されたレーザ光７は、光学系６により線状のレーザ光７ａとなって、透過窓４を介して薄膜に照射される。レーザ源５の出力はパワーコントローラ８により制御される。レーザ光の波長は、薄膜の光吸収係数が大きい波長である。透過窓４は当該波長の光を吸収しない材料により形成される。【選択図】        図２
2005005461.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱対象物質に対して光を照射して輻射加熱により熱処理を行なう半導体製造装置であって、
加熱対象物質を含む被処理体が配置される処理チャンバと、
該処理チャンバの外壁の一部として設けられた透過窓と、
該透過窓を介して前記加熱対象物質に光を照射する光源と、
該光源の出力を制御する制御器と
を有し、
前記加熱対象物質は半導体製造工程において半導体構造が形成された後の配線工程において形成される層を形成する材料であり、
前記光源から照射される光の波長は、前記加熱対象物質の光吸収係数が大きい波長であり、
前記透過窓は、該波長の光を透過する材料により形成されることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体製造装置であって、
前記光源はレーザ光を出力するレーザ源であり、該レーザ光が前記加熱対象物質に対して線状に照射されるように該レーザ光を導く光学系を更に有することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体製造装置であって、
前記レーザ源は赤外レーザであり、前記加熱対象物質は半導体製造工程の配線工程で形成される低誘電率膜であることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項４】
請求項３記載の半導体製造装置であって、
前記赤外レーザは炭酸ガスレーザであり、前記透過窓はゲルマニウムにより形成されることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項５】
請求項１記載の半導体製造装置であって、
前記光源は赤外光を出力する赤外ランプであり、前記加熱対象物質は半導体製造工程の配線工程において形成される低誘電率膜であることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項６】
請求項２記載の半導体製造装置であって、
前記レーザ源は紫外レーザであり、前記加熱対象物質は半導体製造工程の配線工程で形成されるバリアメタル膜であることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項７】
請求項６記載の半導体製造装置であって、
前記紫外レーザはエキシマレーザであり、前記透過窓はフッ化カルシウムにより形成されることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項８】
請求項１記載の半導体製造装置であって、
前記光源は紫外光を出力する紫外ランプであり、前記加熱対象物質は半導体製造工程の配線工程において形成されるバリアメタル膜であることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項９】
半導体製造工程の配線工程において形成された膜の熱処理に用いられる熱処理方法であって、
半導体製造工程の配線工程において形成された膜の光吸収波長に対応した波長を有する光を該膜に照射して、該膜を周囲の部分に対して選択的に加熱し、
該照射する光の強度を制御して、加熱された前記膜を周囲への伝熱作用により冷却する
ことを特徴する熱処理方法。
【請求項１０】
請求項９記載の熱処理方法であって、
前記膜はＳｉ−Ｏ結合を有する低誘電率膜であり、前記光は炭酸ガスレーザ光であり、前記低誘電率膜を選択加熱することにより前記低誘電率膜の誘電率及び機械強度を変化させることを特徴とする熱処理方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の熱処理方法であって、
前記低誘電率膜はＳｉＯＣＨ膜であることを特徴とする熱処理方法。
【請求項１２】
請求項９記載の熱処理方法であって、
前記膜は低誘電率膜と導電層との間に形成されたバリアメタル膜であり、前記光は紫外レーザ光であり、前記バリアメタル膜を選択加熱することにより前記バリアメタルと前記低誘電率膜との密着性を向上させることを特徴とする熱処理方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の熱処理方法であって、
前記バリアメタル膜はＴａＮ膜又はＴａ膜であり、前記紫外レーザ光はエキシマレーザ光であることを特徴とする熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体製造技術に係わり、より詳細には、基板上に形成された薄膜を熱処理により改質するための半導体製造装置及び熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製品の製造工程において、シリコンウェーハ等の基板上には様々な薄膜が形成される。このような薄膜に対して、熱処理を施して所望の特性を得るためのいわゆる材料改質が行なわれる場合がある。特に、近年の半導体製品の高密度化、高機能化に伴い、様々な薄膜の材料改質が重要になりつつある。
【０００３】
材料改質のための熱処理の一例として、従来よりレーザアニールが提案されている。レーザアニールは、熱処理すべき基板や薄膜に対してレーザ光を照射し加熱し、所望の特性となるように冷却する技術である。しかし、レーザアニール技術はレーザドーピングを除いてこれまで実用化に至っておらず、アイデア段階で終止していた。
【０００４】
上述のレーザアニールにおいて、改質すべき対象物質（薄膜等を構成する材料）を溶融して再び凝固させるという発想はあるが、溶融した材料を凝固させる際の凝固速度を制御するような技術は提案されていない。従来のレーザアニールでは、溶融した材料は、レーザアニール装置（熱処理装置）のハードウェアにおける伝熱環境により決まる凝固速度で凝固する。このため、凝固した後の対象材料は、凝固速度により決まるアモルファス状態又は多結晶状態にしかならない。このように、従来のレーザアニールでは、対象物質を加熱した後の冷却は自然冷却に任せており、意図的に対象物質の状態を制御する（材料改質）までには至っていない。
【０００５】
また、レーザ光照射による輻射加熱のような加熱方法では、加熱用の光（例えばレーザ光）と加熱すべき対象物質の光吸収特性のよい部分の波長を、加熱用の光として用いれば、効率よく輻射加熱を行なうことができる。しかし、従来のレーザアニールでは、加熱すべき材料の光吸収特性と輻射加熱の際の光の波長との関連性を考慮して輻射加熱設計に言及している例は見当たらない。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２７５３３６号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平７−２０２２０８号公報
【０００８】
【特許文献３】
特開平９−８２６６２号公報
【０００９】
【特許文献４】
特開２００１−１０２５９３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来、熱処理装置のような半導体デバイス製造装置を用いてウェーハ上の薄膜の材料改質を行なう際、ウェーハ全体及び熱処理装置の装置チャンバ内全体を加熱しなければならず、下記のような問題があった。
【００１１】
１）従来の熱処理装置では、ウェーハ全体や装置全体を加熱するため、熱処理における使用エネルギ効率が低く、省エネルギ対策が必要である。
【００１２】
すなわち、対象材料（加熱すべき部分）のみを選択的に加熱するわけではないため、対象材料への供給エネルギは少量であるのにも拘わらず、全体消費エネルギ量は高いままである。
【００１３】
２）デバイス構成材料が年々変化してきており、耐熱温度の低い材料が用いられるようになってきている。したがって、処理温度の低温化が必要となる。
【００１４】
すなわち、対象材料（加熱すべき部分）のみを選択的に加熱するわけではないため、ウェーハ加熱温度は一番高い処理温度により支配され、この結果、熱処理温度の低温化を達成できない。
【００１５】
３）対象材料を加熱溶融した後、所望の冷却速度で冷却することができないため、凝固速度を制御することができない。したがって、凝固後の対象材料を所望の状態にすることができない。
【００１６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、加熱すべき対象材料を選択的に加熱することにより熱処理装置の省エネルギ化及び低温加熱を達成し、且つ、対象材料を溶融させる以前の温度から下降させる温度を制御することにより意図的に改質することのできる熱処理装置及び熱処理方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明によれば、加熱対象物質に対して光を照射して輻射加熱により熱処理を行なう半導体製造装置であって、加熱対象物質を含む被処理体が配置される処理チャンバと、該処理チャンバの外壁の一部として設けられた透過窓と、該透過窓を介して前記加熱対象物質に光を照射する光源と、該光源の出力を制御する制御器とを有し、前記加熱対象物質は半導体製造工程において半導体構造が形成された後の配線工程において形成される層を形成する材料であり、前記光源から照射される光の波長は、前記加熱対象物質の光吸収係数が大きい波長であり、前記透過窓は、該波長の光を透過する材料により形成されることを特徴とする半導体製造装置が提供される。
【００１８】
上述の半導体製造装置において、前記光源はレーザ光を出力するレーザ源であり、該レーザ光が前記加熱対象物質に対して線状に照射されるように該レーザ光を導く光学系を更に有することが好ましいｉ。
【００１９】
また、前記レーザ源は赤外レーザであり、前記加熱対象物質は半導体製造工程の配線工程で形成される低誘電率膜であることが好ましい。前記赤外レーザは炭酸ガスレーザであり、前記透過窓はゲルマニウムにより形成されることとしてもよい。代わりに、前記光源は赤外光を出力する赤外ランプであり、前記加熱対象物質は半導体製造工程の配線工程において形成される低誘電率膜であることとしてもよい。
【００２０】
また、前記レーザ源は紫外レーザであり、前記加熱対象物質は半導体製造工程の配線工程で形成されるバリアメタル膜であることが好ましい。前記紫外レーザはエキシマレーザであり、前記透過窓はフッ化カルシウムにより形成されることとしてもよい。代わりに、前記光源は紫外光を出力する紫外ランプであり、前記加熱対象物質は半導体製造工程の配線工程において形成されるバリアメタル膜であることとしてもよい。
【００２１】
また、本発明によれば、半導体製造工程の配線工程において形成された膜の熱処理に用いられる熱処理方法であって、半導体製造工程の配線工程において形成された膜の光吸収波長に対応した波長を有する光を該膜に照射して、該膜を周囲の部分に対して選択的に加熱し、該照射する光の強度を制御して、加熱された前記膜を周囲への伝熱作用により冷却することを特徴する熱処理方法が提供される。
【００２２】
上述の熱処理方法において、前記膜はＳｉ−Ｏ結合を有する低誘電率膜であり、前記光は炭酸ガスレーザ光であり、前記低誘電率膜を選択加熱することにより前記低誘電率膜の誘電率及び機械強度を変化させることが好ましい。また、前記低誘電率膜はＳｉ−Ｏ結合を有する材料の例としてたとえばシロキサン系のＶ３Ｄ３膜等がある。
【００２３】
また、半導体製造工程の配線工程において形成された膜は、低誘電率膜と導電層との間に形成されたバリアメタル膜であり、前記光は紫外レーザ光であり、前記バリアメタル膜を選択加熱することにより前記バリアメタルと前記低誘電率膜との密着性を向上させることが好ましい。また、前記バリアメタル膜はＴａＮ膜又はＴａ膜であり、前記紫外レーザ光はエキシマレーザ光であることとしてもよい。
【００２４】
上述の発明によれば、半導体製造工程の配線工程において、加熱すべき対象物質を選択的に加熱し且つ冷却することにより、加熱対象物質の材料改質を行なうことができる。また、選択加熱であるため、加熱に費やされるエネルギを低減することができ、半導体製造装置の省エネルギ化及び低温加熱を達成を達成することができる。また、加熱対象物質のみを選択的に加熱・溶融し、且つ凝固速度を制御することにより加熱対象物質の材料改質を行なうことができる。
【発明の実施の形態】
まず、本発明による選択輻射加熱の原理について説明する。
【００２５】
選択輻射加熱により材料改質を行う際には、材料改質すべき材料の輻射エネルギ吸収特性に応じて、ウェーハ処理工程中の多層構造における選択輻射加熱設計を行う。すなわち、対象材料に選択輻射加熱を施すことができる条件を満足するか否かを検討する。
【００２６】
選択輻射加熱を施すことができる条件として、まず、（１）改質すべき対象材料の吸収長（吸収係数の逆数：１／α）が、対象材料の膜厚より大きいかほぼ等しいことが必要である（吸収長≧対象材料層の膜厚）。また、（２）改質すべき対象材料の吸収長が、対象材料層の膜厚より小さい場合であっても、対象材料層の下地が反射率の高い材料構造（例えば反射率９５％以上）であればよい。
【００２７】
上記条件（１）、（２）を目安にして選択輻射加熱設計を行って対象材料層の溶融時間を計算し、対象材料層を含む基板（ウェーハ）を輻射加熱した際に、対象材料層が最初に溶融することを確認する。輻射加熱源として例えばレーザ光を照射する際に、上記溶融時間だけ照射することにより、対象材料層のみを断熱的に選択輻射加熱し、溶融することができる。
【００２８】
ここで、輻射加熱用の光の照射時間と、対象材料層を含む基板の温度上昇との関係について考察する。
【００２９】
半無限固体にヒートフラックスｑ０を与えた場合の固体表面からの深さδ、時間ｔにおける温度Ｔ（δ，ｔ）は以下の式で表わすことができる。なお、以下の式において、Ｋは熱伝導率、Ａは面積、Ｔｄは温度伝導率である。
【００３０】
【数１】
2005005461.tif 000003
ここで、誤差関数ｅｒｆは２次関数で近似でき、Ｔｉは室温であり無視することができる。これにより上記式は以下のようになる。
【００３１】
【数２】
2005005461.tif 000004
対象となる材料構造、各物性値、及びヒートフラックスの値を上式に与えて計算すると、個体表面から各位置での温度Ｔ（δ，ｔ）を計算することができる。
【００３２】
上記温度計算の一例として、シリコン基板（Ｓｉ）上に例えばＶ３Ｄ３膜が形成された層構造に炭酸ガスレーザを照射して加熱した際の層構造中の温度上昇を計算により求めた。図１はその結果を示すグラフである。シリコン基板の厚みは７５０μｍとし、Ｖ３Ｄ３膜の厚みは１００ｎｍとした。
【００３３】
図１のグラフ中、Ｔ（０，ｔ）はＶ３Ｄ３膜の表面の温度であり、Ｔ（４０，ｔ）、Ｔ（８０，ｔ）、Ｔ（１２０，ｔ）、Ｔ（１６００，ｔ）は、夫々表面から４０ｎｍ、８０ｎｍ、１２０ｎｍ、１６００ｎｍの位置での温度を表す。したがって、Ｔ（４０，ｔ）及びＴ（８０、ｔ）、はＶ３Ｄ３膜中の温度であり、Ｔ（１２０，ｔ）は境界部分付近のシリコン基板の温度を示し、Ｔ（１６００，ｔ）は、境界から離れた部分のＶ３Ｄ３膜中の温度を示す。
【００３４】
図１のグラフより、レーザの照射時間が５０秒を超えた付近でＶ３Ｄ３層の全体がそのガラス転移点温度（例えば３００℃，４００℃）を超えた直後に温度が急激に低下することがわかる。一方、シリコン基板の温度を表すＴ（１６００，ｔ）は、室温からほとんど変化しないことがわかる。したがって、図２に示す例では、下地のシリコン基板を室温に保ったまま、表面のＶ３Ｄ３層のみを選択的に加熱し溶融することができることがわかる。
【００３５】
ここで、対象材料の溶融時間は、輻射の性質と、材料の吸収係数αと膜厚ｄとを考慮して、半無限物体の非定常熱伝導に基づいて計算することができる。
【００３６】
輻射の性質において、透過率をＴ（無次元数）、反射率をＲ（無次元数）、吸収率をＡｂｓ（無次元数）とすると、Ｔ＝［（１−Ｒ）２＊ｅｘｐ（−αｄ）］／［１−Ｒ２＊ｅｘｐ（−２αｄ）］であり、且つＲ＝［（ｎ−１）２＋ｋ２］／［（ｎ＋１）２＋ｋ２］である。ここで、ｋは材料の消衰係数である。そして、Ｔ，Ｒ，Ａｂｓの間には、Ａｂｓ＝１−Ｔ−Ｒという関係が成り立つ。
【００３７】
半無限物体の非定常熱伝導に基づいて、対象材料の表面の温度Ｔ（０、ｔ）を求めると、単位面積当たりの熱流束をＦ・Ａｂｓとして、以下のようになる。
【００３８】
【数３】
2005005461.tif 000005
これより表面温度が融点に達する時間ｔｍを求めると以下のようになる。ここで、Ｔｄは材料の熱拡散定数［ｃｍ２／ｓｅｃ］である。
【００３９】
【数４】
2005005461.tif 000006
また、表面融解から底面融解までの時間Ｔｂｔを、半無限物体における１次熱伝導方程式において表面エネルギ保存法則を適用すると、Ｔｂｔ＝ｄρΔＨ／０．１６Ｆ・Ａｂｓで表わすことができる。ここで、ρは対象材料の密度であり、ΔＨは溶融潜熱である。
【００４０】
上述のように、対象材料の膜が溶融するまでの時間ｔは、ｔ＝ｔｍ＋ｔｂｔで求めることができる。この計算値に基づいて、材料改質すべき対象材料の膜あるいは層と、それが形成された基板あるいは他の膜とが溶融するまでの時間を求め、対象材料が最初に融解することを確認する。すなわち、対象材料を最初に融解することできれば、その計算により求めた時間だけ対象材料を輻射加熱することにより、対象材料を選択的に加熱して溶融させることができる。
【００４１】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００４２】
まず、本発明の第１の実施の形態による半導体製造装置について、図２を参照しながら説明する。図２は本発明の第１の実施の形態による半導体製造装置としての熱処理装置の概略構成を示す図であり、図３は図２に示す熱処理装置の平面図である。
【００４３】
図２に示す熱処理装置は、選択加熱輻射装置であり、処理チャンバ内のサセプタ上に載置されたウェーハＷに対してレーザ光を照射してウェーハ表面（表面に形成された薄膜）を選択的に加熱する装置である。
【００４４】
処理チャンバ１内に配置されたサセプタ２は、サセプタ移動機構３により処理チャンバ１内で水平移動できるように構成されている。ウェーハＷはサセプタ２の上面に載置された状態で処理チャンバ１の天井壁１ａに対向する。天井壁１ａを含む処理チャンバ１の壁面は、例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミック材により形成され、処理チャンバ１内は周囲の雰囲気から隔離される。隔離されたチャンバ内は、処理光の影響を与えない為に、処理光を吸収しにくい特定のガスや真空雰囲気にコントロールすることができる。ここでガス導入、排気ボンプ等に関する記載は省略する。また、光学系についても同様の処理を施してもよい。
【００４５】
処理チャンバ１の天井壁１ａのほぼ中央には、透過窓４が天井壁１ａの一部として設けられる。レーザ源５は処理チャンバ１の外側に設けられ、レンズやプリズム等よりなる光学系６を介してレーザ光を処理チャンバ１の内部に照射する。
【００４６】
すなわち、レーザ源５から出力されたレーザ光７は、レンズ６ａにより図２に示すように線状のレーザ光７ａとして拡大され、プリズムあるいは偏向反射板６ｂにより進行方向が９０度変えられて、処理チャンバ１の透過窓４に向けられる。
【００４７】
レーザ光７ａは透過窓４を通過してサセプタ２上に載置されたウェーハＷに照射される。ウェーハＷの表面あるいは、表面付近に形成された薄膜は、レーザ光７ａにより所定の温度に加熱される。ここで、レーザ源５の出力はパワーコントローラ８により制御され、所定の強度のレーザ光７ａがウェーハＷに照射されるよう構成されている。パワーコントローラ８がレーザ源５の出力をオフに制御することで、ウェーハＷの加熱は停止され、ウェーハＷの薄膜は冷却される。また、レーザ源５の出力を完全にオフすることなく冷却時にも小さな出力でレーザ光を出力させることにより、冷却速度を制御することができる。さらに、パワーコントローラ８は、レーザ出力強度が時間と共に変化するように制御することもできる。
【００４８】
サセプタ２はサセプタ移動機構３により処理チャンバ内で図２の矢印方向に段階的に水平移動できるように構成されており、ウェーハＷ上のレーザ照射位置を順次移動することにより、ウェーハＷは線状のレーザ光により走査されることとなる。これにより、ウェーハＷの全面にレーザ光７ａを照射してウェーハＷの全面を熱処理することができる。なお、サセプタ移動機構３は周知の移動機構により構成できるものであり、詳細な説明は省略する。
【００４９】
ここで、レーザ光７の波長は、加熱対象物質（ウェーハＷ又はウェーハＷ上に形成された薄膜）の光吸収波長に合わせて選定される。例えばウェーハＷ上に形成されたシリコン酸化膜の熱処理（材料改質）を行なう場合、波長９．６μｍ〜１０．６μｍの赤外レーザである炭酸ガスレーザ（ＣＯ２レーザ）が適している。したがって、レーザ源５として炭酸ガスレーザを用いる。
【００５０】
ここで、従来の熱処理装置に用いられている透過窓は溶融石英（透過波長０．４μｍ〜３．５μｍ）であり、波長９．６μｍ〜１０．６μｍの炭酸ガスレーザを透過することができない。したがって、照射光として炭酸ガスレーザを用いた場合、なるべく炭酸ガスレーザ光を吸収しないで透過するな材料として、例えば波長２．５μｍ〜１３μｍの光を透過するゲルマニウム（Ｇｅ）を透過窓４の材料として選定することが好ましい。
【００５１】
ただし、レーザの種類（波長）と透過窓４の材質とは上述の炭酸ガスレーザとゲルマニウムの組み合わせに限ることなく、加熱対象物質を選択的に加熱可能な波長と、その波長の光を損失少なく透過できる材料との組み合わせは様々なものが考えられる。
【００５２】
従来の溶融石英より長い波長の光を透過できる材料として、アルカリハライド、アルカリ土類フロライド、半導体材料、赤外透過ガラス等のような赤外透明結晶材料が考えられる。
【００５３】
例えばアルカリハライドとしては、ＮａＦ，ＮａＣｌ，ＫＣｌ，ＫＢｒ、ＫＩ，ＣｓＢｒ，ＣｓＩ等がある。アルカリ土類フロライドとしては、ＣａＦ２，ＳｒＦ２，ＢａＦ２，ＭｇＦ２，ＰｂＦ２等がある。半導体材料としては、Ｇｅ，Ｓｉ，ＧａＡＳ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＣｄＴｅ等がある。赤外透過ガラスとしては、カルコゲナイドガラス（Ｇｅ３３Ａｓ１２Ｓ５５）、コーニング９７５４（商標）等がある。
【００５４】
以上のような赤外透明結晶材料により形成した透過窓に反射防止コーティングを施すことで赤外線透過率を向上することもできる。例えば、ＧｅあるいはＳｉにより形成した透過窓にＧｅ及びＳｉＯ２のコーティングを両面に施す。また、ＺｎＳｅにより形成した透過窓にＺｎＳｅ及びＴｈＦ４のコーティングを両面に施す。
【００５５】
また、処理チャンバの透過窓には大きな曲げ応力が加わることがあり、上記の材料単体では曲げ応力に耐えられない場合がある。そこで、透過窓を、曲げ応力に耐える強度を有する格子状の骨格部分と、骨格部分により分けられた小面積の部分とにより形成する。そして、骨格部分を比較的強度を有する例えば透光性セラミックスにより形成し、小面積の部分を上記の赤外透明結晶材料又はそれに反射防止コーティングを施したもので形成する。例えば、骨格部分をアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）又は単結晶アルミナとしてサファイヤにより形成し、小面積の部分をＢａＦ２により形成することができる。あるいは、小面積の部分を、例えばＺｎＳｅ基板にＺｎＳｅ及びＴｈＦ４のコーティングを両面コーティングしたものとしてもよい。
【００５６】
なお、上述の実施の形態では赤外レーザ光を照射して加熱する熱処理装置として説明したが、赤外レーザの代わりに赤外ランプを用いてもよい。また、レーザの種類も赤外レーザに限ることなく、加熱すべき対象物質によっては紫外レーザが適している場合もある。また、紫外レーザの代わりに紫外ランプを用いてもよい。
【００５７】
以上のように、本実施の形態による熱処理装置では、加熱すべき対象物質の光吸収波長に合致した波長の光を照射して効率的に対象物質を加熱する。また、加熱用の光が透過する透過窓の材料を、光の波長に応じて吸収されにくい材料を選定するので、光が透過窓を通過する際の損失が低減され、効率的に熱処理を行なうことができ、熱処理装置の運転に費やされるエネルギ量を低減することができる。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施の形態による半導体製造装置としての熱処理装置について図４を参照しながら説明する。図４は本発明の第２の実施の形態による熱処理装置の全体構成を示す断面図である。
【００５９】
図４に示す熱処理装置は、選択加熱輻射装置であり、処理チャンバ内のサセプタ上に載置されたウェーハＷに対してランプ光を照射してウェーハ表面（表面に形成された薄膜）を選択的に加熱する装置である。
【００６０】
処理チャンバ１１内に配置されたサセプタ１２は、サセプタ回転機構１３により処理チャンバ１１内で水平回転できるように構成されている。ウェーハＷはサセプタ１２の上面に載置された状態で処理チャンバ１１の天井壁に対向する。処理チャンバ１１の壁面は、例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミック材により形成され、処理チャンバ１１の内部は周囲の雰囲気から隔離される。
【００６１】
処理チャンバ１の天井壁は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）により形成された透過窓１４となっている。複数のランプ１５は処理チャンバ１１の外側に設けられ、透過窓１４を介してランプ光を処理チャンバ１１の内部に照射する。
【００６２】
すなわち、ランプ１５から出力されたランプ光１７は、ランプ１５の周囲に設けられたリフレクタ１６により処理チャンバ１１の透過窓１４に向けられる。
【００６３】
ランプ光１７は透過窓１４を通過してサセプタ１２上に載置されたウェーハＷに照射される。ウェーハＷの表面あるいは、表面付近に形成された薄膜は、レーザ光１７により所定の温度に加熱される。ここで、ランプ電源１５の出力はパワーコントローラ１８により制御され、所定の強度のランプ光１７がウェーハＷに照射されるよう構成されている。パワーコントローラ１８がランプ電源１５の出力をオフに制御することで、ウェーハＷの加熱は停止され、ウェーハＷの薄膜は冷却される。また、ランプ電源１５の出力を完全にオフすることなく冷却時にも小さな出力でランプ光を出力させることにより、冷却速度を制御することができる。さらに、パワーコントローラ１８は、レーザ出力強度が時間と共に変化するように制御することもできる。
【００６４】
サセプタ１２はサセプタ回転機構１３により処理チャンバ内で回転できるように構成されており、ウェーハＷにランプ光が均一に照射される。これにより、ウェーハＷの全面を均一に熱処理することができる。なお、サセプタ回転機構１３は周知の回転機構により構成できるものであり、詳細な説明は省略する。
【００６５】
ここで、ランプ光１７の波長は、加熱対象物質（ウェーハＷ又はウェーハＷ上に形成された薄膜）の光吸収波長に合わせて選定される。例えばウェーハＷ上に形成されたシリコン酸化膜の熱処理（材料改質）を行なう場合、波長２μｍ〜１１μｍのセラミックコーティングランプが適している。また、この場合、ランプ光１７が通過する透過窓１４は、なるべくランプ光を吸収しないような材料として、例えば波長０．１５μｍ〜６．０μｍの光を透過するアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を選定することが好ましい。ただし、ランプ光の種類（波長）と透過窓１４の材質との組み合わせは、加熱対象物質を選択的に加熱可能な波長と、その波長の光を損失少なく透過できる材料として様々なものが考えられる。
【００６６】
次に、上述の熱処理装置を用いて薄膜を熱処理することにより材料改質する例について説明する。
【００６７】
１）周辺を低温に保持したまま低誘電率膜を熱処理して材料改質する例
トランジスタ等の半導体製造工程において、ウェーハ上にトランジスタ構造を形成した後に導電金属の配線層等を形成するための配線工程は、一般的にＢＥＯＬ（Ｂａｃｋ  Ｅｎｄ  Ｏｆ  Ｌｉｎｅ）と称される。ＢＥＯＬでは、すでにトラにジスタ構造がウェーハ上に形成されているため、熱処理を行なう際にはトランジスタ構造に影響を及ぼさないように比較的低温に保ったまま加熱対象材料のみを選択的に加熱して高温にすることが好ましい。
【００６８】
また、ＢＥＯＬにて形成される層構造（ＢＥＯＬ構造と称する）では、トランジスタの高速動作を達成するために、層間絶縁層を低誘電率材料（Ｌｏｗ−ｋ材料）で形成したり、配線層を低抵抗材料で形成したりする試みがなされている。また、これらの材料を用いて形成した構造の機械強度や密着性を向上させるなどの総合的なＢＥＯＬ構造の質的向上が求められている。
【００６９】
したがて、各種のＬｏｗ−ｋ材料と各種の配線層材料が試され、ＢＥＯＬ構造における回路定数ＲＣを低減するためのプロセスの開発が進められている。回路定数ＲＣの低減には、配線バルク材料としてのＣｕ及び配線バリアメタル材料としてのＴａＮ等によるＲ低減よりも、層間絶縁層のＬｏｗ−ｋ材料によるＣ低減のほうが効果が大きい。
【００７０】
そこで、層間絶縁層の材料開発において、まず材料自体の低誘電率化が求められるが、次に、低誘電率材料の密度を低減することによりさらに低誘電率化することが提案されている。ここで、層間絶縁層の材料が低密度となると、結果として、層間絶縁層の機械強度が低下し、また、配線材料との密着性が低下する。このため、層間絶縁層を熱処理して機械強度を向上させ、且つ配線材料との密着性を向上させることが好ましい。
【００７１】
したがって、層間絶縁層に対して熱処理を施すという要求があるが、層間絶縁層はＦＥＯＬ（Ｆｒｏｎｔ  Ｅｎｄ  Ｏｆ  Ｌｉｎｅ）工程において既に形成されたトランジスタ構造の上に形成される層であり、このトランジスタ構造を壊さないように層間絶縁層の周囲の部分を低温に保ったまま、層間絶縁層のみを選択的に加熱することが要求される。
【００７２】
層間絶縁層に適した材料を特定するには、多くの種類のＬｏｗ−ｋ材料を試して使用可能性を確認するが、その際に熱処理を行なって好適な材質に改質することも試みる必要がある。一般的に、熱処理温度が高いほど材料の改質の程度は大きい。すなわち、処理温度が高いほど好適な材料改質を行なうことができる可能性が高くなる。
【００７３】
ところが、上述のようにＦＥＯＬにて形成したトランジスタ構造に影響を及ぼさないようにするために、ＢＥＯＬ工程では高温の熱処理を行なうことはできないとされていた。すなわち、従来の半導体製造装置（熱処理装置）では、処理チャンバ内部全体もしくはウェーハ全体を加熱し、結果としてウェーハ上の対象材料を加熱するという加熱方法であるため、対象材料である層間絶縁層の周囲部分も同時に加熱されてしまい、層間絶縁層の改質を十分に行なうことができなかった。
【００７４】
そこで、上述の本発明による熱処理装置を用いて、層間絶縁層のみを選択的に加熱することで、層間絶縁層を所望の特性になるように改質する。
【００７５】
層間絶縁層を形成するためのシロキサン系低誘電率材料（Ｌｏｗ−ｋ材料）としてＳｉＯＣＨ膜が用いられることが多い。ＳｉＯＣＨ膜は材料構造中にＳｉ−Ｏ結合を有しており、その吸収係数が急激に増大する波長が存在する。図５は例えばＶ３Ｄ３Ｖ膜の吸収係数αを示すグラフである。Ｓｉ−Ｏ結合を有するために、波長８μｍ〜１０．５μｍの間で吸収係数αが急激に増大することが分かる。
【００７６】
そこで、この吸収係数が増大する範囲の波長の光を照射することにより、Ｖ３Ｄ３膜を輻射加熱すれば、Ｖ３Ｄ３膜のみを選択的に加熱することができる。Ｖ３Ｄ３膜の吸収係数αは、波長が９．５μｍ付近にピークを有しており、この波長は赤外レーザ光である炭酸ガスレーザ光の波長（９．６〜１０．６μｍ）に近似している。
【００７７】
したがって、図２に示す本発明による熱処理装置のレーザ源５に炭酸ガスレーザを用いることにより、ＢＥＯＬ構造中のＬｏｗ−ｋ膜であるＶ３Ｄ３膜に炭酸ガスレーザ光を照射して選択的に加熱することができる。この際、Ｌｏｗ−ｋ膜であるＶ３Ｄ３膜の下には、例えばバリアメタルとしてＴａＮ膜あるいはＴａ膜が形成されており、その下には例えば配線層のＣｕ膜が形成されているが、これらの膜の炭酸ガスレーザ光の波長に対する吸収係数はＶ３Ｄ３膜の吸収係数よりはるかに小さいため、Ｖ３Ｄ３膜のみが選択的に且つ効率的に加熱され、温度が上昇する。
【００７８】
Ｖ３Ｄ３膜が所定の温度に達した後に、炭酸ガスレーザの照射エネルギを小さくすることにより、加熱したＶ３Ｄ３膜は冷却される。ここで、炭酸ガスレーザの出力を停止することにより大きな冷却速度で冷却することができる。すなわち、Ｖ３Ｄ３膜のみが選択的に加熱されているため、Ｖ３Ｄ３膜の周囲の部分は低温のままであり、Ｖ３Ｄ３膜の熱が急速に周囲に拡散するため、Ｖ３Ｄ３膜自体を急速冷却することができる。一方、炭酸ガスレーザの照射エネルギをある程度維持しながらＶ３Ｄ３膜を冷却することで、冷却速度は小さくなる。したがって、Ｖ３Ｄ３膜を所定の温度まで加熱した後に、炭酸ガスレーザの出力を制御しながら低減することにより、Ｖ３Ｄ３膜の冷却速度を制御することができる。
【００７９】
冷却速度を制御することにより、Ｖ３Ｄ３膜の結晶粒径を制御することができる。すなわち、Ｖ３Ｄ３膜を急速に冷却することにより粒径は小さくなり、徐々に冷却するこおとにより粒径は大きくなる。したがって、Ｖ３Ｄ３膜の冷却速度を制御することにより、Ｖ３Ｄ３膜の密度を変えることができる。Ｖ３Ｄ３膜の密度を低くすることにより、誘電率を低くすることができる。また、Ｖ３Ｄ３膜の結晶粒径を制御することで、鉄鋼の焼き入れにおいてオーステナイト相がマルテンサイト相に変態する現象と同様に機械的強度を向上させることもできる。
【００８０】
ここで、波長９．６μｍ〜１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光をＶ３Ｄ３膜に照射した際の溶融時間を試算した結果を図６に示す。Ｖ３Ｄ３膜は、ＴａＮ膜又はＴａ膜上に形成されたものとし、また、ＴａＮ膜又はＴａ膜は、Ｃｕ膜上に形成されたものとした。Ｖ３Ｄ３膜の厚みは０．１μｍとし、ＴａＮ膜又はＴａ膜の厚みは２５０Åとし、Ｃｕ膜の厚みは８００Åとした。また、上述の膜は厚さ８４０μｍのシリコン基板上に形成されたものとし、シリコン基板は厚さ５ｍｍのアルミニウム底板上に載置されたものとした。また、透過窓は表面コーティングされたゲルマニウム（Ｇｅ）で形成されているものとした。また、炭酸ガスレーザ光のエネルギ密度は１×１０５Ｗ／ｃｍ２とした。
【００８１】
図６に示す例では、Ｌｏｗ−ｋ膜であるＶ３Ｄ３膜の吸収係数αを９．８×１０４／ｃｍ、９．８×１０３／ｃｍ、９．８×１０２／ｃｍ、９．８×１０／ｃｍ、とした場合の各層の溶融時間を試算した。この結果、Ｖ３Ｄ３膜の吸収係数αの値が上記いずれの場合であっても、Ｖ３Ｄ３膜は他の部分よりはるかに短い時間で融解することが分かった。例えば、Ｖ３Ｄ３膜の吸収係数αの値を９．８×１０／ｃｍと小さな値にした場合であっても、Ｖ３Ｄ３膜が融解するまでの時間は３．０１秒であり、これに対してＶ３Ｄ３膜の下の層であるＴａＮ膜又はＴａ膜の融解までの時間は１８２秒となる。
【００８２】
したがって、炭酸ガスレーザ光をＢＥＯＬ構造中のＶ３Ｄ３膜に照射することにより、他の部分を低温に保ったままＶ３Ｄ３膜を選択的に加熱することができることが確認できた。
【００８３】
以上のように、本発明による熱処理装置を用いて、低誘電率膜の吸収係数が非常に大きくなる波長の光を照射して低誘電率膜のみを選択的に輻射加熱し、且つ冷却速度を制御することができる。これにより、ＭＯＳトランジスタ等の半導体構造におけるＢＥＯＬ構造中のＶ３Ｄ３膜のような低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）の誘電率の低減や機械強度の向上につながる改質を行なうことができる。
【００８４】
上述の低誘電率膜の選択加熱及び冷却による材料改質は、炭酸ガスレーザを用いた図２に示す熱処理装置により行なうことができるが、光源としてレーザに限ることなく、赤外ランプ（ＩＲランプ）による赤外線照射によっても行なうことができる。すなわち、図２に示す熱処理装置の代わりに、ランプ光源としてセラミックコーティングランプ（波長２〜１１μｍ）のような赤外ランプを用いた図４に示す熱処理装置を用いることもできる。この場合、透過窓４を形成する材料としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いてもよい。アルミナの光透過波長は０．１５μｍ〜６．０μｍであり、透過できる光の波長範囲がゲルマニウムより狭いが、赤外ランプ光は炭酸ガスレーザ光よりエネルギ密度が小さいため、問題なく使用することができる。
【００８５】
赤外ランプから赤外線をトランジスタ構造中の低誘電率膜に照射して加熱し、その後、照射エネルギを小さく制御しながら冷却する。これにより、上述のレーザ光照射による選択加熱及び冷却と同様な効果を得ることができる。赤外ランプを光源として用いることにより、レーザ源を用いる場合よりも安価な熱処理装置を実現することができる。また、アルミナ製の透過窓を用いることで熱処理装置の製造コストを更に低減することができる。
【００８６】
２）周辺を低温に保持したままバリアメタル膜を熱処理して材料改質する例
上術のように、トランジスタ等の半導体製造工程において、ＢＥＯＬ工程では、すでにトラにジスタ構造がウェーハ上に形成されているため、熱処理を行なう際にはトランジスタ構造に影響を及ぼさないように比較的低温に保ったまま加熱対象材料のみを選択的に加熱して高温にすることが好ましい。
【００８７】
ＢＥＯＬにて形成される層構造（ＢＥＯＬ構造と称する）では、トランジスタの高速動作を達成するために、層間絶縁層を低誘電率材料（Ｌｏｗ−ｋ材料）で形成する試みがなされている。また、層間絶縁層（低誘電率膜）と配線層との間にはバリアメタル膜として、例えばＴａＮ膜やＴａ膜が形成される。
【００８８】
このようなＢＥＯＬ構造中で、バリアメタル膜と低誘電率膜との間の密着性を向上させることが求められている。ここで、バリアメタル膜の上に低誘電率膜を形成した後に、バリアメタル膜と低誘電率膜との間の界面付近を加熱することにより、界面において化学反応を引き起こし、密着性を向上させることができることがわかった。
【００８９】
したがって、バリアメタル膜と低誘電率膜との間の界面に近いバリアメタル膜の上層部分と、当該界面に近い低誘電率膜の下層部分とを選択的に加熱して界面で化学反応を起こさせるという要求がある。しかし、バリアメタル膜と低誘電率膜はＦＥＯＬ（Ｆｒｏｎｔ  Ｅｎｄ  Ｏｆ  Ｌｉｎｅ）工程において既に形成されたトランジスタ構造の上に形成される層であり、このトランジスタ構造を壊さないように層間絶縁層の周囲の部分を低温に保ったまま、バリアメタル膜と低誘電率膜との間の界面付近のみを選択的に加熱することが要求される。
【００９０】
ここで、バリアメタル膜として用いられるＴａＮ膜やＴａ膜は、紫外光を吸収する特性を有していることがわかった。そこで、図２に示した本発明による熱処理装置において、レーザ源５をエキシマレーザ（波長０．２４９μｍｍ又は０．３８μｍ）とすることにより、ＢＥＯＬ構造中の例えばＴａＮ膜やＴａ膜のようなバリアメタル膜を選択加熱する。これによりバリアメタル膜と低誘電率膜との間の界面付近を加熱し、密着性を向上させる。
【００９１】
ここで、波長０．３μｍの紫外レーザ光をＢＥＯＬ構造中の低誘電率膜（Ｖ３Ｄ３膜）に照射した際の各層の溶融時間を試算した結果を図７に示す。Ｖ３Ｄ３膜は、バリアメタル膜であるＴａＮ膜又はＴａ膜上に形成されたものとし、また、ＴａＮ膜又はＴａ膜は、Ｃｕ膜上に形成されたものとした。Ｖ３Ｄ３膜の厚みは０．１μｍとし、ＴａＮ膜又はＴａ膜の厚みは２５０Åとし、Ｃｕ膜の厚みは８００Åとした。また、上述の膜は厚さ７３０μｍのシリコン基板上に形成されたものとし、シリコン基板は厚さ５ｍｍのアルミニウム底板上に載置されたものとした。また、透過窓はフッ化カルシウム（ＣａＦ２）で形成されているものとした。また、紫外レーザ光のエネルギ密度は１×１０５Ｗ／ｃｍ２とした。
【００９２】
図７に示す例では、低誘電率膜であるＶ３Ｄ３膜の吸収係数αを４．２×１０４／ｃｍ及び４．２／ｃｍとし、また、バリアメタル膜であるＴａＮ膜又はＴａ膜の吸収係数αを８．４×１０６／ｃｍ及び８．４×１０５／ｃｍとした場合の各層の溶融時間を試算した。この結果、Ｖ３Ｄ３膜の吸収係数α及びＴａＮ膜又はＴａ膜の吸収係数αの値が上記いずれの場合であっても、バリアメタル膜であるＴａＮ膜又はＴａ膜は他の部分よりはるかに短い時間で融解することが分かった。
【００９３】
例えば、Ｖ３Ｄ３膜の吸収係数αの値を４．２×１０２／ｃｍとし、且つＴａＮ膜又はＴａ膜の吸収係数の値を８．４×１０６／ｃｍとした場合には、ＴａＮ膜又はＴａ膜の表面（界面）は２．５２秒で融解するのに対して、上層のＶ３Ｄ３膜が融解するまでの時間は１０．２秒である。したがて、上層のＶ３Ｄ３膜よりはるかに短時間でＴａＮ膜又はＴａ膜を選択的に加熱し、Ｖ３Ｄ３膜とＴａＮ膜又Ｔａ膜との間の界面付近を選択的に加熱することができる。
【００９４】
以上のように、本発明による熱処理装置を用いて、バリアメタル膜の吸収係数が非常に大きくなる波長の光を照射してバリアメタル膜のみを選択的に輻射加熱することができる。これにより、ＭＯＳトランジスタ等の半導体構造におけるＢＥＯＬ構造中のＴａＮ膜やＴａ膜のようなバリアメタル膜と、その上に形成されたＶ３Ｄ３膜のような低誘電率膜との間の密着性の向上等につながる改質を行なうことができる。
【００９５】
上述のバリアメタル膜の選択加熱による材料改質（密着性向上）は、紫外レーザを用いた図２に示す熱処理装置により行なうことができるが、光源としてレーザに限ることなく、紫外ランプ（ＵＶランプ）による紫外線照射によっても行なうことができる。すなわち、図２に示す熱処理装置の代わりに、ランプ光源としてアークランプ（波長０．２〜１．２μｍ）やメタルハライドランプのような赤外ランプを用いた図４に示す熱処理装置を用いることもできる。この場合、透過窓４を形成する材料としてフッ化カルシウム（ＣａＦ２）を用いることが好ましい。
【００９６】
紫外ランプから紫外線をトランジスタ構造のけるＢＥＯＬ構造中の低誘電率膜に照射してその下のバリアメタル膜を選択的に加熱し、その後、照射エネルギを小さく制御しながら冷却する。これにより、上述のレーザ光照射による選択加熱及び冷却と同様な効果を得ることができる。紫外ランプを光源として用いることにより、レーザ源を用いる場合よりも安価な熱処理装置を実現することができる。
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、トランジスタ構造中のＢＥＯＬ構造において、加熱すべき対象物質を選択的に加熱し且つ冷却することにより、加熱対象物質の材料改質を行なうことができる。また、選択加熱であるため、加熱に費やされるエネルギを低減することができ、半導体製造装置の省エネルギ化及び低温加熱を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコン基板上に低誘電率膜が形成された層構造に炭酸ガスレーザを照射して加熱した際の層構造中の温度上昇を示すグラフである。
【図２】本発明の第１の実施の形態による熱処理装置の全体構成を示す断面図である
【図３】図１に示す熱処理装置の平面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態による熱処理装置の全体構成を示す断面図である。
【図５】Ｖ３Ｄ３膜の吸収係数と波長の関係を示すグラフである。
【図６】炭酸ガスレーザ光を低誘電率膜に照射した際の溶融時間を試算した結果を示す図である。
【図７】紫外レーザ光を低誘電率膜を介してバリアメタル膜に照射した際の溶融時間を試算した結果を示す図である。
【符号の説明】
１，１１  処理チャンバ
１ａ  天井壁
２，１２  サセプタ
３  サセプタ移動機構
４，１４  透過窓
５  レーザ源
６  光学系
７，７ａ  レーザ光
８，１８  パワーコントローラ
１３  サセプタ回転機構
１５  ランプ
１６  リフレクタ
１７  ランプ光
【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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