(57)【要約】【課題】導電層と前記絶縁膜との界面または前記絶縁膜中のダングリングボンドを効率的に低減することができる基板処理装置および基板処理方法を提供する。【解決手段】実施の一形態による基板処理装置は、筐体と磁場生成部とマイクロ波供給部とを持つ。前記筐体は、導電層と前記導電層に接する絶縁膜とを有する基板を収容する。前記磁場生成部は、前記基板を貫く磁場を発生させる。前記マイクロ波供給部は、前記基板を加熱可能な出力の マイクロ波を発生させて前記磁場内の前記基板に照射し、前記導電層と前記絶縁膜との界面または前記絶縁膜中の不対電子に吸収させる。【選択図】図１
2016225573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電層と前記導電層に接する絶縁膜とを有する基板を収容する筐体と、
前記基板を貫く磁場を発生させる磁場生成部と、
前記基板を加熱可能な出力のマイクロ波を発生させて前記磁場内の前記基板に照射し、前記導電層と前記絶縁膜との界面または前記絶縁膜中の不対電子に吸収させるマイクロ波供給部と、
を備える、
基板処理装置。
【請求項２】
ｈをプランク定数、νを前記マイクロ波の波長、βをボーア磁子、Ｈを磁場強度、ｇをダングリングボンドの種類によって決まる定数とすると、前記磁場の強度Ｈは、次式
ｇ＝（ｈν）／（βＨ  ）                                        …（式１）
を満たすように決定されることを特徴とする請求項１に記載の基板処理装置。
【請求項３】
前記マイクロ波供給部は、前記基板の前記絶縁膜が形成されている表面側と、前記基板の前記絶縁膜が形成されている面と反対の表面側との少なくともいずれかから前記マイクロ波を照射することを特徴とする請求項１または２に記載の基板処理装置。
【請求項４】
導電層と前記導電層に接する絶縁膜とを有する基板に磁場を印加しつつ、前記基板を加熱可能な出力のマイクロ波を前記基板に照射し、前記導電層と前記絶縁膜との界面または前記絶縁膜中の不対電子に吸収させる工程を備える、
基板処理方法。
【請求項５】
前記磁場は前記基板を貫通する方向に印加されている請求項４に記載の基板処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、基板処理装置および基板処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばＭＩＳ（ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタなどの半導体装置を形成するプロセスにおいては、絶縁膜または絶縁膜と導電層（例えば半導体層）との界面を改質する目的でアニール工程が導入される場合がある。
【０００３】
ここで「界面改質」とは、絶縁膜と導電層との界面に存在する半導体の未結合手（ダングリングボンド）を消失または不活性化（例えば、別の原子にて終端する等）することによって、電気特性上の界面準位密度を低減する効果を指している。代表的な例として半導体装置の製造プロセス中でシンタ工程あるいは水素シンタ工程と呼ばれるものを挙げることができる。このシンタ工程は、ウェーハ上に半導体回路を作りこむ最終工程またはその近傍の工程において、水素を含んだ雰囲気中でウェーハを熱処理することにより、例えばゲート絶縁膜と半導体基板との界面などに存在するダングリングボンドを水素によって終端し安定化させることを目的としている。
【０００４】
しかしながら、処理対象の基板上に既に金属配線が形成されている場合は、該金属配線への熱負荷を考慮した温度管理が上記シンタ工程に要求される。
【０００５】
また、金属配線が無い場合でも、基板中に導入されたホウ素、リンなどの不純物原子の不必要な拡散が防止されるように処理温度を決定する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１８６１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、導電層と絶縁膜との界面または絶縁膜中のダングリングボンドを効率的に低減することができる基板処理装置および基板処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施の一形態による基板処理装置は、筐体と磁場生成部とマイクロ波供給部とを持つ。前記筐体は、導電層と前記導電層に接する絶縁膜とを有する基板を収容する。前記磁場生成部は、前記基板を貫く磁場を発生させる。前記マイクロ波供給部は、前記基板を加熱可能な出力の マイクロ波を発生させて前記磁場内の前記基板に照射し、前記導電層と前記絶縁膜との界面または前記絶縁膜中の不対電子に吸収させる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の一形態による基板処理装置の概略構成を示すブロック図の一例。
【図２】実施の一形態による基板処理方法を説明するための略示断面図の一例。
【図３】実施の一形態による基板処理方法を説明するための略示断面図の一例。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。また、添付の図面は、それぞれ発明の説明とその理解を促すためのものであり、各図における形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所がある点に留意されたい。
【００１１】
本願明細書において、「積層」は、互いに接して重ねられる場合の他、間に他の層が介挿されて重ねられる場合をも含む。また、「上に設けられる」とは、直接接して設けられる場合の他、間に他の層が介挿されて設けられる場合をも含む。さらに、説明中の上下等の方向を示す用語は、後述する基板の素子形成面側を上とした場合の相対的な方向を指し示す。そのため、重力加速度方向を基準とした現実の方向と異なる場合がある。
【００１２】
（１）基板処理装置
図１は、実施の一形態による基板処理装置の概略構成を示すブロック図の一例である。本実施形態の基板処理装置は、チャンバ筐体８と、マグネトロン２０と、基板ホルダ３０と、電磁石部６０と、制御部８０とを含む。
【００１３】
チャンバ筐体８は、例えばアルミニウム合金など金属材料で形成され、その内部空間は、基板Ｓを処理するための処理室１０を構成する。
【００１４】
マグネトロン２０は、特定の周波数のマイクロ波を発生し、導波管２６を介して処理室１０に連通する導波口２８から処理室２８へ供給する。マグネトロン２０と導波口２８との間には、上流側から順にアイソレータ２２および整合器２４が設けられる。アイソレータ２２は、処理室１０内で反射して処理室１０から帰ってきたマイクロ波を熱に変換して排出する。これにより、マグネトロン２０へのマイクロ波の逆流が防止される。整合器２４は、マッチャとも呼ばれ、少ない反射波で処理室２８内に効率よくマイクロ波が供給されるよう調整を行う。本実施形態において、マグネトロン２０、アイソレータ２２、整合器２４および導波管２６は、例えばマイクロ波供給部に対応する。
【００１５】
基板ホルダ３０は基板Ｓを保持する。基板ホルダ３０は、例えば石英などのマイクロ波を透過させる材料で作製される。基板ホルダ３０は、回転軸３２を中心に回転可能な態様で保持される。回転軸３２は、基板駆動部３４に連結される。基板駆動部３４は、制御部８０に電気的に接続され、制御部８０から送られる制御信号に従い、所定の回転速度で回転軸３２を介して基板Ｓを水平方向に回転させ、これによりプロセス中の面内均一性を向上させる。基板駆動部３４はまた、制御部８０からの制御信号に従い、必要に応じて垂直方向に移動し、これにより、基板Ｓの高さを変更する。
【００１６】
ガス排出管４０は、例えば処理室１０の下部であってチャンバ筐体８の下壁に設けられ、圧力調整バルブＶ２を介して真空ポンプ４２に連結される。圧力調整バルブＶ２と真空ポンプ４２は、制御部８０に電気的に接続され、制御部８０からの制御信号に従って処理室１０内の圧力を所望の値に調整する。
【００１７】
ガス供給管５２は、例えばチャンバ筐体８の側壁に設けられ、ガス流量調整部５４、バルブＶ４，Ｖ６を介してガス源ＧＳ１，ＧＳ２に連結されて窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）または水素（Ｈ２）などのプロセスガスを処理室１０内に供給する。ガス流量調整部５４は、制御部８０に電気的に接続され、制御部８０からの制御信号に従ってガスの流量を調整する。バルブＶ４，Ｖ６も制御部８０に電気的に接続され、制御部８０からの制御信号に従って開閉する。
【００１８】
電磁石部６０は、本実施形態において、例えば磁場生成部に対応し、基板Ｓを間に挟むようにチャンバ筐体８の上下の壁面に設けられる。電磁石部６０は、制御部８０に電気的に接続され、制御部８０から指令信号を与えられて所望の強度で基板Ｓを垂直に貫く磁場を発生させる。
【００１９】
電磁石部６０の具体的な構成として様々な態様が考えられ、特に図示しないが、一例としては、導体であるコイルを円柱状の鉄芯に巻いて該コイルを電源に接続した電磁石ユニットを、個々の鉄芯の長手方向が回転軸３２の長手方向に平行になるように向きを合わせた上で、基板ホルダ３０に保持された基板Ｓを覆うようにマトリクス状にチャンバ筐体８の壁面に沿って複数個配置したものを挙げることができる。
【００２０】
温度計９０は、基板Ｓに接触しない態様で基板ホルダ３０の近傍に設けられる。温度計９０は、制御部８０に電気的に接続され、処理室１０内のプロセス温度をモニタする。
【００２１】
制御部８０は、マグネトロン２０、電磁石部６０、真空ポンプ４２、圧力調整バルブＶ２、ガス流量調整部５４、バルブＶ４，Ｖ６、基板駆動部３４および温度計９０に電気的に接続され、これらの構成部分の動作をそれぞれ制御する。
【００２２】
次に、図１に示す基板処理装置の動作について説明する。
【００２３】
まず、図示しないゲートを介して処理対象の基板Ｓを処理室１０内に搬入し、基板ホルダ３０に保持させる。基板Ｓの少なくとも表面には導電層（例えば半導体層を有するゲート電極）が形成され、この導電層に接して絶縁膜が成膜されている（図３参照）。
【００２４】
次いで、制御部８０から制御信号を圧力調整バルブＶ２および真空ポンプ４２に出力し、ガス排出管４０から真空ポンプ４２により処理室１０内のガスを排出すると共に、制御部８０からバルブＶ４，Ｖ６、ガス流量調整部５４に制御信号を出力し、ガス供給管５２を介してガス源ＧＳ１，ＧＳ２からプロセスガスを処理室１０内に供給する。処理室１０内の圧力はガス流量調整部５４により所定の値に調整される。
【００２５】
次に、制御部８０からの制御信号に基づき、回転駆動部２４により基板Ｓを例えば数１０〜約１００ｒｐｍの速度で回転させながら、マグネトロン２０によりマイクロ波を発生させ、導波管２６を介して導波口２８から処理室１０内へ導入し、基板Ｓに所定時間照射させる。この時、マイクロ波の照射と同時に制御部８０から電磁石部６０へ制御信号を供給して所定出力の磁場を励磁させる。本実施形態において、発生した磁場は、図１の矢印で示すように基板Ｓの表面に垂直な方向から基板Ｓを貫通するように印加される。
【００２６】
マイクロ波の周波数としては０．８ＧＨｚから２５ＧＨｚの範囲内のものが好ましい。
【００２７】
磁場の周波数は、処理対象の基板Ｓ以外の部材、例えば電磁石部６０がコイル状の導体を有する場合にその導体が発熱する程度を下回る数百Ｈｚ以下であればよい。例えば５０Ｈｚや６０Ｈｚなどの商用の交流電圧を使用してもよいし、最も簡素な構成として永久磁石を用いて直流磁場を印加してもよい。
【００２８】
マイクロ波の照射と同時に基板Ｓに磁場を印加する理由は以下の通りである。  
すなわち、絶縁膜中では閾値電圧を変動させてリーク電流増大の原因となり、絶縁膜と導電層との界面ではキャリアを補足するためにトランジスタの動作に悪影響を及ぼすダングリングボンドが有する不対電子（共有結合において、ペアとなる電子を持たない電子）は、磁場の印加によってそのエネルギー準位が分割され２つに分かれることが分かっている。これは電子のもつスピン量子数に起因するものであり、ゼーマン効果と呼ばれている。分割された不対電子のエネルギー準位の差は電磁波の周波数に換算するとおよそマイクロ波の周波数帯と一致する。このため、この状態でマイクロ波を照射するとダングリングボンドに直接マイクロ波を吸収させて消失させることが可能となる。これによって効率的に改質効果を得ることができる。共鳴が起こる際の条件は次式で表現される：
ｇ＝（ｈν）／（βＨ  ）                            ・・・（式１）。
【００２９】
ここで、ｇはｇ値と呼ばれる、ダングリングボンドの種類によって決まる定数である。例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）／シリコン（Ｓｉ）界面のシリコン（Ｓｉ）ダングリングボンドではｇ＝２．００６０、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）中のシリコン（Ｓｉ）ダングリングボンドではｇ＝２．０００５となる。ｈはプランク定数、νはマイクロ波の波長、βはボーア磁子と呼ばれる定数、Ｈは磁場強度である。これを用いた具体的な条件に関しては後に基板処理方法に関する実施形態中で詳述する。
【００３０】
ただし、本実施形態において、マイクロ波の出力として数百Ｗから数ｋＷが設定される。基板Ｓの加熱を目的とするためである。
【００３１】
なお、基板Ｓは回転駆動部２４により所定の回転速度で回転しているため、均一に加熱される。
【００３２】
本実施形態では、マイクロ波の入射方向と同様に基板Ｓの表面に垂直な方向から磁束が基板Ｓを貫くように電磁石部６０を配設したが、例えば上述した式（１）を満たすような適切な強度の磁場を励磁するものであれば、磁束の向きとマイクロ波の入射方向との関係は問題にならない。
【００３３】
以上のように、基板Ｓに磁場を印加しつつ所定時間マイクロ波を照射した後、加熱処理が終了したら、マグネトロン２０によるマイクロ波の出力を停止して処理室１０内へのマイクロ波の導入を停止し、電磁石部６０による磁場の励磁を停止した後、基板駆動部３４による基板Ｓの回転を停止し、加熱した基板Ｓを処理室１０から搬出する。
【００３４】
以上述べた少なくとも一つの実施形態の基板処理装置によれば、基板Ｓを貫く磁場を発生させる電磁石部６０と、基板Ｓを加熱可能な出力でマイクロ波を発生させて基板Ｓに照射するマグネトロン２０とを含むので、半導体層と前記絶縁膜との界面または絶縁膜中のダングリングボンドにマイクロ波を直接吸収させることが可能になる。これにより、上記界面または絶縁膜を選択的に加熱すると共に、上記ダングリングボンドを効率的に低減することができる。  
（２）基板処理方法
次に、図１に示す基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法について、実施の一形態による基板処理方法として図２および図３を参照しながら説明する。
【００３５】
以下では、一般的なロジック回路向けの３層金属配線を持つＭＩＳトランジスタの製造方法を例として取り挙げる。本実施形態の基板処理方法は、絶縁膜形成直後の段階または素子構造の全体を形成した段階で適用することが好適である。以下、これら２つの場合のそれぞれについて説明する。しかしながら、本実施形態の基板処理方法は、これらのいずれかの場合に限ることなく、双方の段階で適用するなど、任意のプロセスにおいて適用可能である。
【００３６】
また、本実施形態の基板処理方法は、ロジックＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）のゲート絶縁膜／導電層（例えば半導体層）の界面への適用に限るものではなく、例えば、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサへの適用など、同様に界面の安定化が要求される用途一般に適用可能である。
【００３７】
（ａ）絶縁膜形成直後の段階で適用
まず、図２に示すように、単結晶シリコン層が表面に形成された基板Ｓに素子分離のための浅いトレンチＴＲを形成し、絶縁膜を埋め込んだ後に平坦化工程を経て素子分離領域ＳＴＩを形成する。
【００３８】
続いて、イオン注入と熱アニール処理により、ウェル２０１，２０２の導電型と所望の値の濃度を制御した後、全面にゲート絶縁膜１０１を成膜する。本実施形態では、ゲート絶縁膜１０１としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を成膜する。しかし、ゲート絶縁膜１０１としてはシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）に限ることなく、例えば高誘電率膜や、複数種類の絶縁膜の積層構造を採用してもよい。本実施形態において、ウェル２０１，２０２は例えば導電層に対応する。
【００３９】
図２に示すようにウェル２０１，２０２上のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）まで製造できた段階で、基板Ｓをマイクロ波アニール装置に搬入してアニール処理を行う。マイクロ波アニール装置は、枚葉式とバッチ式のいずれでもよい。ここでは、図１に示す基板処理装置を用いるので、処理室１０に基板Ｓを搬入し、基板ホルダ３０に保持させる。
【００４０】
次いで、基板駆動部３４により基板Ｓを水平方向に回転させながら、マグネトロン２０により０．８ＧＨｚ〜２５ＧＨｚのマイクロ波を１００Ｗ〜１０Ｋｗの電力で発生させ導波口２８から処理室２８へ導入し、基板温度６００℃〜８５０℃のもとで３０秒〜６０分間処理する。マイクロ波アニール中の処理雰囲気としてガス源ＧＳ１から例えば窒素（Ｎ２）やアルゴン（Ａｒ）のような不活性ガスを処理室１０に供給する。これらのガスに加え、例えばガス源ＧＳ２から水素（Ｈ２）を例えば約１０％になるよう添加してもよい。処理時の圧力は加圧、常圧、減圧いずれの態様でもよい。
【００４１】
本実施形態では、マイクロ波の照射と共に、電磁石部６０により磁場を励磁させて基板Ｓを貫通するように基板Ｓに印加する。磁場の周波数は、数百Ｈｚ以下であれば、例えば５０Ｈｚや６０Ｈｚの商用の交流電圧を使用した電磁石を用いてもよいし、永久磁石を発生源としてもよい。ただし、基板Ｓを加熱できる程度の強度が必要であるため、数百〜数千ガウスの強度で励磁する。
【００４２】
より具体的には、商用周波数である２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いた場合には、磁場強度を８７３ガウスと設定すればシリコン酸化膜／シリコン層（ウェル２０１，２０２）界面のダングリングボンドに効率よくマイクロ波を吸収させることができる。また磁場強度を８７５ガウスと設定すれば、シリコン酸化膜中のダングリングボンドに効率よくマイクロ波を吸収させることが可能になる。
【００４３】
また、例えば、これらのダングリングボンドを両方低減する目的で、処理中に磁場強度が８７３ガウスと８７５ガウスとの間を変動するような処理も可能である。これは磁場発生源として電磁石（図１に示す装置では電磁石部６０）を用い、その駆動電流を（例えば制御部８０により）調整することで実現可能である。
【００４４】
同様に、商用周波数である５．８ＧＨｚのマイクロ波を用いた場合には、シリコン酸化膜／シリコン層界面のダングリングボンドは２０６６ガウス、シリコン酸化膜中のダングリングボンドは２０７１ガウスが好適となる。また、これら以外のダングリングボンドに対してもｇ値が既知であれば、上述した（１）式を用いて、最適な磁場強度を算出することが可能である。
【００４５】
その後は、加熱および界面改質処理が終了した基板Ｓを処理室１０から取り出し、図３に示すように、ゲート電極ＣＧおよび側壁絶縁膜１０５の形成、ソース／ドレインとなる不純物拡散領域１０６およびエクステンション領域１０７の形成、配線前層間絶縁膜２０５の成膜と金属プラグ１０８の形成、第１層層間絶縁膜２０７の成膜および第１層金属配線１１０の形成、第２層層間絶縁膜２０９の成膜、第２層金属配線１１２およびビア１１３の形成、第３層金属配線１１４の形成、パッシベーション膜２１１の成膜およびパッド電極をなす第３層金属配線１１４への開口ＯＰの形成までの一連の工程を実施する。これらの工程には特別な方法は必要なく、標準的な製造工程を用いればよい。
【００４６】
（ｂ）素子構造の全体を形成した段階で適用
ゲート絶縁膜１０１を成膜した直後の熱処理に代えて、素子構造の全体を形成した後に基板Ｓをマイクロ波アニール装置、例えば図１に示す基板処理装置に搬入して磁場中でのマイクロ波照射によるアニール処理を行ってもよい。
【００４７】
この場合、基本的な処理条件は「（ａ）絶縁膜形成直後の段階」で前述した通りであるが、温度帯として、金属配線へのダメージを避ける必要があるため約３００℃〜約４５０℃の範囲に制限して設定する。
【００４８】
また、一般に、多層金属配線構造をもつＬＳＩでは、真上、すなわちパッシベーション膜２１１側から見た際にＭＯＳトランジスタが金属配線に隠れているような配置になることが多い。
【００４９】
このような状況下では、パッシベーション膜２１１側からマイクロ波を照射した際に、マイクロ波が途中の金属配線（例えば図３に示す金属配線１１０，１１２）で反射されたり吸収されたりすることにより、ゲート絶縁膜／導電層の界面へ十分にマイクロ波が照射されず、十分な界面準位低減効果が得られない場合があり、加えて面内温度分布のパターン依存性が生ずる場合もある。
【００５０】
このような場合には、基板の裏面側、すなわちゲート絶縁膜が形成されている表面とは逆の表面側からマイクロ波を照射することが有効である。基板の裏面には通常回路パターンは存在せず、かつ金属層が形成されることが無いため、裏面から照射されたマイクロ波は効率的にかつ均一にゲート絶縁膜／導電層の界面に作用すると考えられる。図１に示す基板処理装置を用いる場合は、トランジスタ等の素子形成面側が基板駆動部３４に対向するように基板ホルダ３０に保持させればよい。
【００５１】
勿論、マイクロ波の導波口をチャンバ筐体の対向する壁面にそれぞれ設けて上面側、裏面側の両方から同時にマイクロ波照射を行ってもよい。なお、通常のＬＳＩにおいては、磁場を吸収しまたは遮断するような材料を用いることは無いので、磁場を印加する態様に関して特に考慮する必要は無い。
【００５２】
以上述べた少なくとも一つの実施形態の基板処理方法によれば、ウェル２０１，２０２とゲート絶縁膜１０１とを有する基板Ｓに磁場を印加しつつ、基板Ｓを加熱可能な出力のマイクロ波を前記基板Ｓに照射して絶縁膜中または絶縁膜と導電層との界面におけるダングリングボンドを効率的に低減するので、所望の界面改質効果を効率的に得ることができる。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５４】
８…チャンバ筐体、２０…マグネトロン、６０…電磁石部、１０１，１０３…ゲート絶縁膜（シリコン酸化膜（ＳｉＯ２））、２０１，２０２…ウェル、Ｓ…半導体基板。
【図１】
2016225573.tif 000003
【図２】
2016225573.tif 000004
【図３】
2016225573.tif 000005