JP2006114848A - 紫外線照射処理装置、紫外線照射処理方法及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被処理基板が大型化した場合や複数の被処理基板を同時に処理する場合などに、被処理基板に紫外線を均一に照射することができる紫外線照射処理装置を提供するものである。
【解決手段】 処理室３と、処理室３内に設けられた、紫外線の照射処理を受ける基板９１を保持する基板保持具１０と、基板保持具１０の基板保持面１２に対向するように処理室３内に設けられた紫外線発生源１３と、紫外線発生源１３と基板保持面１２との間に設けられ、紫外線発生源１３からの紫外線の照射方向を変える反射板１５とを備え、反射板１５は紫外線の反射面を上下移動させ、或いは反射面の角度を変えることができるようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、紫外線照射処理装置、紫外線照射処理方法及び半導体製造装置に関する。

近年、半導体集積回路では、配線間を伝達する信号の遅延を抑え、回路全体の処理速度を向上させるため、低誘電率を有する絶縁膜（以下、低誘電率絶縁膜と称する。）が用いられている。

半導体ロードマップでは、デザインルールが６５ｎｍとなる世代以降に比誘電率２．５以下の層間絶縁膜が要望されているが、これまで多くの絶縁材料が検討された結果、材料単体で比誘電率が２．５以下を実現することは難しいことがわかってきた。そのため、絶縁材料としては比誘電率２．５以上のものを用いながら、形成した絶縁膜中にナノメートル乃至サブナノメートルの空孔を導入して多孔質化し、膜密度を下げることにより絶縁膜全体の実効誘電率を低減するという手法が用いられるようになってきた。

例えば、添加物を形成膜中に取り込み、その後酸化等により膜から排除して多孔質化する例が特許文献１に記載されている。
特開２０００−２７３１７６号公報

しかしながら、絶縁膜内に空孔を導入して多孔質化すると、膜全体の機械的強度が大幅に低下し、成膜以降の工程で平坦化のために行なわれる研磨工程（ＣＭＰ：chemichal mechanical polishing）に耐えられないという問題が生じる。この問題を解決するため、空孔サイズを小さくするか、または空孔率を低くすれば、膜の機械的強度が上がるが、必要とされる低い比誘電率が得られない。

この問題を解決するため、最近では、成膜後に形成膜に対して紫外線を照射して、多孔質化しつつ機械的強度の大きな低誘電率絶縁膜を得る方法が注目されている。多孔質化しつつ機械的強度を高めることができるのは、絶縁膜中のSi-CH₃結合からCH₃基を切り離すとともに、Si-O-Si等の骨格構造を強化しているからである。

しかしながら、この方法では、被処理基板が大型化した場合や複数の被処理基板を同時に処理する場合、被処理基板の大きさに合わせて複数の紫外線ランプを被処理基板の対向面内に並べる必要があるため、被処理基板に均一に紫外線を照射することが難しくなってくるという問題がある。

本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、被処理基板が大型化した場合や複数の被処理基板を同時に処理する場合などに、被処理基板に紫外線を均一に照射することができる紫外線照射処理装置、紫外線照射処理方法及び半導体製造装置を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明の紫外線照射装置においては、処理室内に基板を保持する基板保持具を設け、この基板保持具の基板保持面に対向するように、処理室内に紫外線発生源を設け、さらに紫外線発生源と基板保持面との間に、紫外線発生源からの紫外線の照射方向を変える反射板を備えている。そして、反射板は紫外線の反射面を上下移動させ、或いは紫外線の反射面の角度を変えることができるようになっている。

本発明の紫外線照射方法においては、紫外線の照射処理中に反射面を上下移動させ、或いは反射面の角度を適宜変えることにより基板への紫外線の照射を調節している。

反射板は、例えば、紫外線発生源と基板保持面との間であって、各紫外線ランプの間又は直下に設けられ、反射面が、紫外線発生源と基板保持面との間を上下移動し得るようになっている。又は、反射面が、紫外線発生源に対向する方向から基板保持面に対向する方向まで任意の角度で変えられるようになっている。

基板が大型化した場合、或いは複数の基板を同時に処理する場合に、複数の紫外線ランプを基板保持面に対向するように横に並べるが、この場合、一般的に、隣接する紫外線ランプの間に位置する基板保持面では、紫外線ランプ直下よりも紫外線照射量が少なくなるため、基板保持面に保持された基板への紫外線照射量の不均一が生じる。本願発明のように、紫外線発生源と基板保持面との間に紫外線の反射板を設け、基板に対して紫外線の照射処理を行っているときに反射面を上下移動させ、或いは反射面の角度を適宜変えることにより、基板保持面上の基板表面における紫外線の照射を調節して、基板保持面上の基板表面における紫外線照射量を均一化することができる。さらに、紫外線ランプは放射上に紫外線を発するため、紫外線を効率よく利用できないが、反射板を設けることで紫外線を効率よく利用できるようになる。

また、本発明の紫外線照射装置においては、基板保持具は、基板保持面が上下方向の運動、横方向の運動、又は、基板保持面に垂直な軸の周りの回転運動のうち少なくともいずれか一を行い得るようになっている。

このような構成によれば、基板保持面を紫外線発生源に対して遠ざけると基板保持面での単位面積あたりの紫外線照射量が少なくなるが均一性が増し、近づけると基板保持面での単位面積あたりの紫外線照射量が多くなるが均一性が低下する。すなわち、基板保持面の上下運動により基板保持面における紫外線照射量及び均一性を調整し得る。また、基板保持面に垂直な軸の回りに基板保持面が例えば９０度或いはそれ以上の順逆回転運動を行い、又は紫外線発生源との対向面内で基板保持面が例えばランプ設置間隔の１／２又はその整数倍の振幅で往復直線運動を行うことで、反射板による効果に加えて、より一層、基板保持面の各照射箇所における紫外線照射の偏りをなくし、より一層、基板保持面における紫外線照射を均一化することができる。

また、本発明の紫外線照射処理装置は基板保持面に保持された基板を加熱する手段を有している。

例えば、機械的強度の大きな低誘電率絶縁膜を形成しようとする場合、Si-O-Si等の骨格構造にCH₃基を有する形成膜に対して紫外線を照射して、絶縁膜中のSi-CH₃結合からCH₃基を切り離す工程で、基板に紫外線を照射しつつ基板を加熱することにより、絶縁膜中のSi-CH₃結合からCH₃基を切り離すとともに切り離されたCH₃基を直ちに膜外へ放出することができる。同時に、CH_n基の脱離によって空孔壁に残った未結合ボンドを再結合（重合）させて、膜の機械的強度をさらに向上させることができる。

本発明の半導体製造装置は、上記紫外線照射処理装置（加熱手段を備えていない場合）と加熱装置との組み合わせ、または、成膜装置と上記紫外線照射処理装置（加熱手段を備えている場合）との組み合わせ、または、成膜装置と上記紫外線照射処理装置（加熱手段を備えていない場合）と加熱装置との組み合わせで構成され、かつ各組み合わせにおいてその構成装置が直列に、又はトランスファチャンバを介して並列に接続され、これにより、基板を大気に曝さずに、成膜と、紫外線照射処理と、アニール処理とを連続して行うことができるようにしている。また、特に、紫外線照射処理装置は紫外線発生源と基板保持面との間に、紫外線発生源からの紫外線の照射方向を変える反射板を備え、反射板は紫外線の反射面を上下移動させ、或いは紫外線の反射面の角度を変えることができるようになっている。このため、紫外線照射処理の均一性を高めることができる。

これにより、この半導体製造装置により作製された形成膜において、膜品質を向上させつつ、大気中の水分の吸着等による比誘電率の上昇、耐電圧劣化などを防止することができる。

本発明の紫外線照射処理装置においては、処理室内に基板を保持する基板保持具を設け、この基板保持具の基板保持面に対向するように、処理室内に紫外線発生源を設けている。さらに紫外線発生源と基板保持面との間に紫外線発生源からの紫外線の照射方向を変える反射板を備えている。そして、反射板は紫外線の反射面を上下移動させ、或いは紫外線の反射面の角度を変えることができるようになっており、本発明の紫外線照射処理方法においては、基板に対する紫外線の照射処理中に反射面を上下移動させ、或いは反射面の角度を適宜変えることにより基板への紫外線照射を調節している。

特に、基板が大型化した場合基板保持面上の同一基板内で、或いは複数の基板を同時に処理する場合同一の基板保持面上の基板表面で、場所により紫外線照射量が異なってくるようなときに、上記のような構成では、各照射箇所における紫外線照射量の偏りをなくし、紫外線照射を均一化することができる。さらに、反射板を設けることで紫外線を効率よく利用できるようになるので、装置の省電力化を図ることができる。

また、基板保持具は、その基板保持面が上下方向の運動、横方向の運動、又は、基板保持面に垂直な軸の周りの回転運動のうち少なくともいずれか一を行い得るようになっている。従って、基板保持具の上下運動により、基板保持面における紫外線照射量及び均一性を調整し得るとともに、横方向の運動又は回転運動により、より一層基板保持面の各照射箇所における紫外線照射量の偏りをなくし、より一層紫外線照射を均一化することができる。

本発明の半導体製造装置は、上記紫外線照射処理装置（加熱手段を備えていない場合）と加熱装置との組み合わせ、または、成膜装置と上記紫外線照射処理装置（加熱手段を備えている場合）との組み合わせ、または、成膜装置と上記紫外線照射処理装置（加熱手段を備えていない場合）と加熱装置との組み合わせで構成され、かつ各組み合わせにおいてその構成装置が直列に、又はトランスファチャンバを介して並列に接続され、これにより基板を大気に曝さずに、成膜と、紫外線照射処理と、アニール処理とを連続して行うことができるようにしている。また、紫外線照射処理装置は紫外線発生源と基板保持面との間に、紫外線発生源からの紫外線の照射方向を変える反射板を備えているため、紫外線照射処理の均一性を高めることができる。これにより、この半導体製造装置により形成された膜において、形成膜の品質を高めつつ、大気中の水分の吸着等による比誘電率の上昇、耐電圧劣化などを防止することができる。このため、特に、膜質がよく、かつ機械的強度の大きい低誘電率絶縁膜や、比誘電率が調整された窒化膜を作製し得る低コストの半導体製造装置を提供することが可能となる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（本発明の第１の実施の形態である紫外線照射処理装置の説明）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る紫外線照射処理装置１０１の構成を示す側面図である。

この紫外線照射処理装置１０１は、図１に示すように、減圧可能なロードロックチャンバ１と、減圧可能なトランスファチャンバ２と、減圧可能な紫外線照射処理チャンバ（処理室）３とを有し、各チャンバ１、２、３が、この順に直列に接続されている。各チャンバ間の流通／遮断はゲートバルブ４ｂ、４ｃの開閉により行われる。すなわち、基板９１を大気に曝さずに、減圧中で紫外線照射処理、アニール処理を連続して行うことができるようになっている。

ロードロックチャンバ１は紫外線照射処理装置１０１への基板９１の出入口に相当し、ゲートバルブ４ａを備え、室内の圧力を大気圧にしてゲートバルブ４ａを開閉し、基板９１を搬入したり、搬出したりする。ロードロックチャンバ１には、排気配管５を介して排気装置６が接続され、また、基板ホルダ７に収納した基板９１を上下させる移動手段８を備えている。

トランスファチャンバ２はロードロックチャンバ１と紫外線照射処理チャンバ３との間の搬送経路に当たり、基板搬送ロボット９を備えている。この基板搬送ロボット９により、ロードロックチャンバ１から紫外線照射処理チャンバ３へ、逆に紫外線照射処理チャンバ３からロードロックチャンバ１へ基板９１が搬送される。紫外線照射処理チャンバ３では搬入された基板９１に対して減圧下で紫外線照射処理が行われる。これは、大気中の酸素により紫外線が吸収されるのを防止するためである。

紫外線照射処理チャンバ３は、基板保持台１１を備えた基板保持具１０と、基板保持台１１の基板保持面１２に対向する紫外線発生源１３と、紫外線発生源１３から発した紫外線の向きを基板保持台１１の基板保持面１２の方に変えさせる第１の反射板１４と、紫外線発生源１３と基板保持面１２との間に設けられ、紫外線発生源１３からの紫外線の向きを変える第２の反射板１５とを備えている。紫外線照射処理チャンバ３は、排気配管１６を通して排気装置１７と接続されている。排気配管１６の途中には紫外線照射処理チャンバ３の排気装置１７への接続／非接続を制御する開閉バルブが設けられている。

基板保持具１０は、基板保持台１１と、回転軸１８と、モータ１９と、ベローズ２０とで構成される。回転軸１８は、基板保持台１１に接続された第１の回転軸１８ａと、モータ１９に接続された第２の回転軸１８ｃと、第１の回転軸１８ａと第２の回転軸１８ｃとの接続手段１８ｂとで構成される。ベローズ２０は、回転軸１８の周囲に回転軸１８と一体的に設けられ、回転軸１８の上下移動とともに伸縮し、紫外線照射処理チャンバ３内の密閉性が保たれるようになっている。また、回転軸１８が回転する際に接続手段１８ｂによりベローズ２０が捩れないようになっている。このような構成により、基板保持台１１の基板載置面１２は、上下運動（紫外線発生源１３に対する遠近運動）、又は紫外線発生源１３に対する順逆回転運動のうち少なくともいずれか一を行い得る。また、基板保持台１１と紫外線発生源１３との間に紫外線の通路を開閉制御する図示しないシャッタを備えている。基板保持台１１は、基板保持台１１上の基板９１を加熱する、例えば抵抗加熱に基づくヒータ２１を備えている。

紫外線発生源１３は、基板保持面１２と対向するように横に並べられた複数の紫外線ランプ１３ａで構成されている。紫外線ランプ１３ａは石英からなる保護管１３ｂにより保護されている。紫外線ランプ１３ａと保護管１３ｂ内壁の間の隙間１３ｃは、酸素が残留しないように充填用ガス（窒素又は不活性ガス）で満たされている。

さらに、紫外線発生源１３と基板保持面１２との間には、基板保持面１２への紫外線の照射を調節するため、反射により紫外線発生源１３からの紫外線の向きを変える第２の反射板１５が設けられている。第２の反射板１５は、セラミックの基体に金（Ａｕ）膜、アルミニウム（Ａｌ）膜、又は高融点金属膜をコーティングしたものが用いられている。金（Ａｕ）膜、アルミニウム（Ａｌ）膜、又は高融点金属膜をコーティングした面が反射面となる。

また、紫外線照射処理チャンバ３には、窒素ガスの供給源Ｇ１、不活性ガスの供給源Ｇ２、酸素ガスの供給源Ｇ３、及びシロキサン結合を有する化合物の供給源Ｇ４が配管２２と分岐配管２３ａ乃至２３ｄを介して接続されている。配管２２の途中には開閉バルブ及びマスフローコントローラが設けられている。さらに、配管２２から分岐している他方の配管２３ｅは紫外線発生源１３の紫外線ランプ１３ａの保護管１３ｂに接続されている。保護管１３ｂ内であって、紫外線ランプ１３ａと保護管１３ｂ内壁の間の隙間に酸素が残留しないようにこれらの配管２２、２３ｅを通して充填用ガス（窒素又は不活性ガス）が供給される。

次に、図２乃至図５を参照して紫外線照射処理チャンバ３内の第２の反射板１５の設置方法と駆動方法について説明する。図２乃至図５は紫外線照射処理チャンバの側面図である。

第２の反射板１５の設置方法の一つは、図２（ａ）に示すように、紫外線発生源１３と基板保持面１２との間であって、各紫外線ランプ１３ａの間に位置するように設けられる方法である。他は、図２（ｂ）に示すように、各紫外線ランプ１３ａの直下に設けられる方法である。第２の反射板１５の固定箇所は、図３に示すように、中央部であるか、または図４に示すように、上端部である。

第２の反射板の駆動方法として、図５に示すように、第２の反射板１５ｃの反射面が上下に移動するようになっているか、又は、図３に示すように、第２の反射板１５ａの中央部が固定され、反射面の角度を変え得るようになっているか、或いは、図４に示すように、第２の反射板１５ｂの上端部が固定され、反射面の角度を変え得るようになっているか、少なくとも何れか一が採用されている。第１の場合、図５に示すように、紫外線発生源１３と基板保持面１２との間の範囲で反射面を上下に適宜移動させる。一方、第２及び第３の場合、図３及び図４に示すように、いずれも固定部を中心として、基板保持面１２に平行な方向に向いた反射面から−９０度乃至＋９０の範囲で任意に反射面の角度を適宜変える。即ち、反射面を、紫外線発生源１３に対向する方向から基板保持面１２に対向する方向まで任意の角度で適宜変える。

なお、場合により、紫外線発生源１３と基板保持面１２との間に、照射すべき紫外線の波長を選択可能なフィルタを備えてもよい。これにより、波長が一定の範囲にある紫外線のみを照射することができる。このため、例えば、Si-O-Si等の骨格構造にCH₃基を有する形成膜を成膜後にその形成膜に対して、Si-O-Si等の骨格構造に影響を与えずにかつ強化しつつ、絶縁膜中のSi-CH₃結合からCH₃基を切り離すことができ、これにより機械的強度の大きな低誘電率絶縁膜を形成することが可能となる。

以上のように、本発明の第１の実施の形態の紫外線照射処理装置によれば、減圧可能な紫外線照射処理チャンバ３内に基板９１を保持する基板保持具１０を設け、この基板保持具１０の基板保持面１２に対向するように、処理チャンバ３内に上記の紫外線発生源１３を設けている。さらに紫外線発生源１３と基板保持面１２との間に紫外線発生源１３からの紫外線の照射方向を変える第２の反射板１５を備えている。そして、第２の反射板１５は紫外線の反射面を上下移動させ、或いは紫外線の反射面の角度を変えることができるようになっており、反射面を上下移動させ、或いは反射面の角度を適宜変えることにより基板保持具１０の基板保持面１２への紫外線の照射を調節し得るようになっている。

基板９１が大型化した場合、或いは複数の基板９１を同時に処理する場合に、複数の紫外線ランプ１３ａを基板保持面１２に対向する面に並べることになるが、この場合、一般的に、隣接する紫外線ランプ１３ａの間では、紫外線ランプ１３ａ直下よりも紫外線照射量が少なくなるため、基板保持面１２の基板９１への紫外線照射量の不均一が生じる。本願発明の実施形態のように、反射により紫外線の照射方向を変える第２の反射板１５を設け、紫外線の照射処理中に反射面を上下移動させ、或いは反射面の角度を適宜変え得るようにすることにより、基板保持面１２の基板９１への紫外線照射量を均一化することができる。さらに、紫外線ランプ１３ａは放射上に紫外線を発するため、紫外線を効率よく利用できないが、第２の反射板１５を設けることで紫外線を効率よく利用できるようになる。これにより、装置の省電力化を図ることができる。

さらに、紫外線発生源１３は、紫外線を反射により下側に向かうようにする第１の反射板４を備えているため、紫外線の使用効率の向上を図ることができ、ひいては省電力化を図ることが可能となる。

また、紫外線照射処理装置は基板保持面１２の基板を加熱する手段、例えば抵抗加熱に基づくヒータ２１を有している。例えば、機械的強度の大きな低誘電率絶縁膜を形成しようとする場合、Si-O-Si等の骨格構造にCH₃基を有する形成膜に対して紫外線を照射して、絶縁膜中のSi-CH₃結合からCH₃基を切り離す工程で、基板９１に紫外線を照射しつつ基板９１を加熱することにより、絶縁膜中のSi-CH₃結合からCH₃基を切り離すとともに切り離されたCH₃基を直ちに膜外へ放出することができる。同時に、CH_n基の脱離によって空孔壁に残った未結合ボンドを再結合（重合）させて、膜の機械的強度をさらに向上させることができる。

また、基板保持具１０は、上下運動（紫外線発生源１３に対する遠近運動）、又は基板保持面１２に垂直な軸の周りの順逆回転運動のうち少なくともいずれか一を行い得るようになっている。基板保持面１２を紫外線発生源１３に対して遠ざけると基板保持面１２での単位面積あたりの紫外線照射量が少なくなるが均一性が増し、近づけると基板保持面１２での単位面積あたりの紫外線照射量が多くなるが均一性が低下する。すなわち、基板保持具１０の上下運動により基板保持面１２における紫外線照射量及び均一性を調整することができる。また、基板保持面１２が基板保持面１２に垂直な軸の周りに例えば９０度或いはそれ以上の角度の順逆回転運動を行うことで、第２の反射板１５による効果と合わせて、より一層各照射箇所における紫外線照射量の偏りをなくし、紫外線照射量を均一化することができる。

次に、図６を参照して本発明の第１の実施の形態に係る他の紫外線照射処理装置１０２の構成を説明する。図６は他の紫外線照射処理装置１０２の構成を示す側面図である。

図６において、図１の装置と異なるところは、紫外線照射処理チャンバ３ａ内に設置された基板保持台１１が、紫外線ランプ１３ａと並行してランプ設置間隔ｄの１／２又はその整数倍の振幅で往復直線運動（横方向の運動）を行うようになっている点である。基板保持台１１は基板保持具１０ａの一部を構成する。基板保持具１０ａは、基板保持台１１に加えて、さらに基板保持台１１の側部に取り付けられた支持軸３１と、支持軸３１が取り付けられているモータ３２と、支持軸３１の移動により伸縮するベローズ３３とで構成される。支持軸３１は円筒状の支持軸３１ｂとその内部を通してモータ３２と接続する支持軸３１ａとで構成される。ベローズ３３は支持軸３１ａの周囲を囲むように取り付けられている。このような構成により、支持軸３１ａを介してモータ３２の順逆回転運動が基板保持台１１の往復直線運動に変換されるようになっている。この場合、第２の反射板１５は紫外線ランプ１３ａの直下に配置されているが、他に、図２（ａ）のような配置を採ることが可能である。また、駆動方法も図３乃至図５のような駆動方法が可能である。

なお、図６において、紫外線照射処理チャンバ３ａの周辺の構成は図１の装置と同じ構成とすることもできる。

本発明の第１の実施の形態に係る他の紫外線照射処理装置１０２によれば、図１の紫外線照射処理装置と同じ第２の反射板１５を備えているので、図１の紫外線照射処理装置の場合と同様に、紫外線の照射処理中に第２の反射板１５の反射面を上下移動させ、或いはその反射面の角度を適宜変え得るようにすることにより、基板保持面１２への紫外線照射を均一化することができる。さらに、第２の反射板１５を設けることで紫外線を効率よく利用できるようになるので、装置の省電力化を図ることができる。

また、基板保持具１０が紫外線ランプ１３ａと並行してランプ設置間隔ｄの１／２又はその整数倍の振幅で往復直線運動を行うことにより、第２の反射板１５による紫外線照射量の均一化の効果に加えて、基板保持面１２での紫外線照射量の偏りをなくし、紫外線照射量をより一層均一化することができる。特に、このような構成は、上記したように、処理すべき基板が大型化して同一基板内でも場所により紫外線照射量が異なってくるような場合などに有効である。

なお、上記第１の実施の形態では、紫外線照射処理装置１０１、１０２はいずれも、基板保持台１１に抵抗加熱に基づくヒータ（加熱手段）２１を備えているが、別のところに設けることもできるし、赤外線その他に基づく加熱手段でもよい。或いは、紫外線照射処理装置１０１、１０２において加熱手段２１を省略することも可能である。紫外線照射処理装置１０１、１０２において加熱手段２１を省略した場合、別に加熱専用の装置を設け、それにより紫外線照射処理後にアニールを行うことができる。

（本発明の第２の実施の形態である半導体製造装置の説明）
本発明の第２の実施の形態である半導体製造装置においては、第１の実施の形態の紫外線照射処理装置で加熱手段を省略した紫外線照射処理装置と加熱装置との組み合わせ、または、成膜装置と第１の実施の形態の紫外線照射処理装置（加熱手段を備えている場合）との組み合わせ、または、成膜装置と第１の実施の形態の紫外線照射処理装置（加熱手段を備えていない場合）と加熱装置との組み合わせが可能であり、かつ各組み合わせにおいてその構成装置が順に直列に、又はトランスファチャンバを介して並列に接続されて装置を構成することが可能である。成膜装置として、化学気相成長装置（ＣＶＤ装置）や塗布装置を用いることができる。

上記可能な装置構成のうち、第２の実施の形態では、成膜装置（成膜チャンバ）と加熱手段を備えていない紫外線照射処理装置（紫外線照射処理チャンバ）と加熱装置（アニールチャンバ）との組み合わせで構成され、かつその構成装置（チャンバ）が順に直列に、又はトランスファチャンバを介して並列に接続され、これにより基板を大気に曝さずに、成膜と、紫外線照射処理と、アニール処理とを連続して行うことができるようにしている。

図７はその構成装置が順に直列に接続された半導体製造装置１０３の構成を示す模式図であり、図８はその構成装置がトランスファチャンバを介して並列に接続された装置１０４の構成を示す模式図である。

図７に示す半導体製造装置１０３では、ロードロックチャンバ５１と、成膜チャンバ５２と、紫外線照射処理チャンバ５３と、アニールチャンバ５４とがゲートバルブを介して直列に接続されている。各チャンバ５１、５２、５３、５４は各用途に必要な構成と基板の搬送手段を有し、個々に圧力調整できるようになっている。紫外線照射処理チャンバ５３は、加熱手段２１以外第１の実施の形態の紫外線照射処理チャンバ１０１と同じ構成を有する。

これにより基板を大気に曝さずに、減圧中で、成膜と、紫外線照射処理と、アニール処理とを連続して行うことができる。

図８に示す半導体製造装置１０４では、トランスファチャンバ５５の周りにロードロックチャンバ５１と、成膜チャンバ５２と、紫外線照射処理チャンバ５３と、アニールチャンバ５４とを備え、各チャンバ５１乃至５４はトランスファチャンバ５５にゲートバルブを介して並列に接続されている。

これにより、基板を大気に曝さずに、減圧中で、成膜と、紫外線照射処理と、アニール処理とを連続して行うことができる。

以上のように、第２の実施の形態である半導体製造装置によれば、第１の実施の形態の紫外線照射処理装置を備えているので、紫外線の照射処理中に第２の反射板の反射面を上下移動させ、或いはその反射面の角度を適宜変え得るようにすることにより、基板保持面上の基板への紫外線照射を均一化することができる。さらに、第２の反射板１５を設けることで紫外線を効率よく利用できるようになるので、装置の省電力化を図ることができる。

そして、半導体製造装置全体の構成によれば、大気に曝さずに、成膜と、紫外線照射処理と、アニール処理とを連続して行うことができるので、形成膜において、水分の吸着等による比誘電率の上昇、耐電圧劣化などを防止することができる。このため、特に、膜質がよく、かつ機械的強度の大きい低誘電率絶縁膜や、窒化膜を作製し得る低コストの半導体製造装置を提供することが可能となる。

（本発明の第３の実施の形態である低誘電率絶縁膜の形成方法の説明）
次に、この発明の第３の実施の形態である低誘電率絶縁膜の形成方法について説明する。この方法においては、上記第２の実施の形態で説明した図７又は図８に示す半導体製造装置１０３、１０４のうちいずれか一を用いることができる。

最初に、低誘電率絶縁膜を形成するための全体の工程を説明する。

まず、成膜チャンバ５２に基板（被処理基板）を搬入して、Si-O-Si或いはその他のシリカ骨格構造にSi-CH_n（ｎ＝１、２、３）結合を含む多孔質又は非多孔質の絶縁膜を基板上に形成する。この場合、成膜方法として次の２種類がある。

（ａ）平行平板型プラズマ励起ＣＶＤ装置を用いて、Si-CH₃結合を有するシロキサン系或いはその他の有機化合物を含む成膜ガスを対向電極間に導き、対向電極間に電力を印加してプラズマを生成し、反応させて基板上にSi-CH_n結合を含むCVD絶縁膜を形成する。又は、
（ｂ）スピンコートにより、Si-CH₃結合を有するシロキサン系の有機ＳＯＧを基板上に塗布し、形成された塗布膜を加熱して溶剤を蒸発させ、Si-CH_n結合を含む塗布絶縁膜を形成する。

次いで、成膜チャンバ５２から紫外線照射処理チャンバ５３に基板を移動させて、紫外線照射処理チャンバ５３内の圧力を１０^-2Torr以下、好ましくは１０^-3Torr以下に保持する。続いて、その減圧雰囲気中で、形成した絶縁膜に紫外線を照射して絶縁膜中のSi-CH_n結合からCH_n基を切り離す。この場合、紫外線の波長を１２０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の範囲とする。この波長は１０ｅＶ以下のエネルギに相当し、Si-O-Si等の骨格構造に影響を与えずにSi-CH_n結合からCH_n基を脱離させ得るエネルギ範囲に合致する。紫外線照射により、非多孔質膜の場合には、CH_n基が抜けることにより自由体積（大きさによっては空孔と呼ぶ。）が大きくなり、膜の誘電率が下がる。また、多孔質膜の場合には、空孔内のCH_n基が脱離して抜けることにより空孔体積が大きくなり、これにより空孔率が上がり、膜の誘電率が下がる。

次に、紫外線照射処理チャンバ５３からアニールチャンバ５４に基板を移して、絶縁膜中から切り離されたCH_n基を排出する。例えば、基板加熱温度を常温〜４５０℃、好ましくは１００〜４５０℃とする。その結果、切り離されたCH₃基が絶縁膜中から排出される。これと同時に、CH_n基の脱離によって空孔壁に残った未結合ボンドがアニールによって再結合（重合）するため、膜の機械的強度がさらに向上する。これにより、機械的強度に優れた低誘電率絶縁膜が形成される。なお、基板加熱温度の上限を４５０℃とするのは、銅やアルミニウムなどがすでに形成されている場合に、材料自体の変質や周囲の物質との反応を防止するためである。また、その下限は常温以上であればよいが、１００℃以上とすればCH_n基の排出をより速やかに行なうことができるためである。

なお、上記の半導体製造装置において紫外線照射処理チャンバ５３に加熱手段を付加するとともに加熱チャンバ５４を省略した場合、一連の工程において、紫外線を照射して絶縁膜中のSi-CH₃結合からCH₃基を切り離す工程と、絶縁膜中から切り離されたCH₃基を排出する工程とを一度に行なうことができる。この場合、基板を加熱した状態で、紫外線を照射する。これにより、脱離したCH₃基の拡散、膜外への放出が促進される。同時に、空孔壁に残った未結合ボンドがアニールによって再結合（重合）し、膜の機械的強度がさらに向上する。

なお、特に、図８の半導体製造装置１０４を用いた場合、大気に曝さずに上記の一連の工程を繰り返し行ない、この実施の形態の低誘電率絶縁膜を多層に積層し、全体として膜厚の厚い低誘電率絶縁膜を形成することも可能である。

以下に、機械的強度に優れた低誘電率絶縁膜の作製条件について具体例を説明する。

（１）第１実施例
以下に示すプラズマＣＶＤの成膜条件によりシリコン基板上にシリコン酸化膜を形成し、下記の紫外線処理条件により紫外線照射処理を行なった。
（成膜条件Ｉ）
（ｉ）成膜ガス条件
ＨＭＤＳＯガス流量：５０ sccm
Ｈ₂Ｏガス流量：１０００ sccm
Ｃ₄Ｆ₈ガス流量：５０ sccm
ガス圧力：１．７５Torr
（ii）プラズマ化条件
高周波電力(13.56MHz)ＰHF：３００Ｗ
低周波電力(380KHz)ＰLF：０Ｗ
（iii）基板加熱温度：３７５℃
（iv）成膜されたシリコン酸化膜
膜厚：６５０ｎｍ
（紫外線処理条件）
（ｉ）紫外線源：重水素ランプ
紫外線波長：１２０〜４００ｎｍ
電力：３０Ｗ
（ii）基板加熱：４００℃
（iii）処理時間：３０分
この結果、平均空孔サイズは、紫外線処理前で１．２２ｎｍであったものが、紫外線処理後に１．３６ｎｍとなった。また、紫外線照射前にヤング率１２．７３ＧＰａ、硬度１．８７ＧＰａであったものが、紫外線照射後にヤング率２３．９８ＧＰａ、硬度３．０１ＧＰａになった。Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの骨格構造のメチル基が脱離した跡の未結合ボンドは紫外線により再結合(重合)し、機械的強度が向上したものと考えられる。このように、紫外線照射により膜強度を維持／向上させ、かつ比誘電率を低減することができた。

なお、この実施例では、メチル基の脱離した未結合ボンド同士の再結合によると推定される膜強度の向上が認められたが、このような再結合反応があまり多く起こると、場合によっては膜の収縮、高密度化を引き起し、比誘電率を逆に上げる虞がある。また、メチル基は耐湿性を向上させる働きを有しているので、すべてのメチル基を取り除くことが低誘電率絶縁膜にとってよいとは限らない。従って、再結合反応が起こる頻度や取り除くメチル基の量を調整する必要がある。この調整は、紫外線照射量（電力、照射時間など）を調整することにより行なうことができる。

（２）第２実施例
第２実施例では、シリコン酸化膜は、プラズマＣＶＤ法により以下の成膜条件で形成された。

（成膜条件II）
（ｉ）成膜ガス条件
ＨＭＤＳＯガス流量：５０ sccm
Ｈ₂Ｏガス流量：１０００ sccm
ガス圧力：１．７５Torr
（ii）プラズマ化条件
高周波電力(13.56MHz)ＰHF：３００Ｗ
低周波電力(380KHz)ＰLF：０Ｗ
（iii）基板加熱温度：３７５℃
（iv）成膜されたシリコン酸化膜
膜厚：６５０ｎｍ
（紫外線処理条件）
（ｉ）紫外線源：重水素ランプ
紫外線波長：１２０〜４００ｎｍ
電力：３０Ｗ
（ii）基板加熱：２００、４００℃
（iii）処理時間：２０分
その結果、空孔サイズに関し、紫外線照射前に０．９６ｎｍであったものが、紫外線照射後、基板加熱温度が２００℃の場合、１．０２ｎｍとなり、４００℃の場合、１．１７ｎｍになった。また、比誘電率に関しては、紫外線照射前に凡そ２．５８であったものが、紫外線照射後に２．４２まで低減した。

以上より、基板加熱温度は絶縁膜の骨格構造に影響がない範囲でなるべく高くした方が大きな空孔サイズが得られることがわかった。これにより、より低い比誘電率を期待できる。

（３）第３実施例
第３実施例では、シリコン酸化膜は、プラズマＣＶＤ法により以下の成膜条件で形成された。

（成膜条件III）
（ｉ）成膜ガス条件
ＨＭＤＳＯガス流量：５０ sccm
Ｈ₂Ｏガス流量：１０００ sccm
Ｃ₂Ｈ₄ガス流量：５０ sccm
ガス圧力：１．７５Torr
（ii）プラズマ化条件
高周波電力(13.56MHz)ＰHF：３００Ｗ
低周波電力(380KHz)ＰLF：０Ｗ
（iii）基板加熱温度：４００℃
（iv）成膜されたシリコン酸化膜
膜厚：６５０ｎｍ
（紫外線処理条件）
（ｉ）紫外線源：重水素ランプ
紫外線波長：１２０〜４００ｎｍ
電力：３０Ｗ
（ii）基板加熱：４００℃
（iii）処理時間：３０分
その結果、比誘電率に関し、紫外線照射前に凡そ２．６６であったものが、紫外線照射後に２．４５まで低減した。この実施例で、比誘電率の低減割合が大きいのは、原料ガスにＣ₂Ｈ₄ガスを含むので、形成膜中のメチル基の濃度が高く、そのため空孔の生成量が多くなったためだと考えられる。言い換えれば、外線照射処理前の状態で弱い結合基の含有量が多い絶縁膜ほど比誘電率の低減効果が大きいといえる。

（４）第４実施例
第４実施例では、シリコン酸化膜は、塗布法により以下の成膜条件で形成された。

（成膜条件IV）
（ｉ）塗布条件
塗布溶液：アルキルシルセスキオキサンポリマー（ＭＳＱ）
回転速度：２０００〜３０００ｒｐｍ
（ii）塗布後熱処理条件
加熱温度：４００℃
（iii）成膜されたシリコン酸化膜
膜厚：４００ｎｍ
（紫外線処理条件）
（ｉ）紫外線源：重水素ランプ
紫外線波長：１２０〜４００ｎｍ
電力：３０Ｗ
（ii）基板加熱：４００℃
（iii）処理時間：３０分
その結果、平均空孔サイズは紫外線照射前は０．８１ｎｍであったものが、紫外線照射後に１．１１ｎｍとなった。すなわち、ＭＳＱを用いた塗布法により形成した塗布シリコン酸化膜でも紫外線照射により空孔サイズが大きくなることを確認できた。その塗布シリコン酸化膜も、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉのシリカネットワーク構造（骨格構造）の一部にメチル基が結合した構造を有し、紫外線照射により、骨格構造に影響を与えずにメチル基が脱離し、空孔サイズが大きくなったと考えられる。なお、実施例２乃至４でも、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの骨格構造のメチル基が脱離した跡の未結合ボンドは紫外線により再結合(重合)し、機械的強度が向上する。

以上のように、本発明の第３の実施の形態によれば、プラズマＣＶＤ法或いは塗布法により、最初からSi-O-Siという骨格構造のしっかりした絶縁膜であってSi-CH₃結合を含む絶縁膜を成膜しておき、その絶縁膜に対して酸化によらずに減圧雰囲気中で紫外線照射して絶縁膜中のSi-CH₃結合からCH₃基を切り離し、更に絶縁膜中から排出する。

この場合、照射すべき紫外線の波長を選択可能なフィルタを設け、照射する紫外線のエネルギをSi-CH₃結合基の結合エネルギよりも高く、骨格構造を形成しているSi-O-Siの結合エネルギよりも低くすることにより、絶縁膜の骨格構造に影響を与えずに強化しつつ、絶縁膜中のSi-CH₃結合からCH₃基を切り離すことができる。

一方で、図７又は図８に示す半導体製造装置１０３、１０４のうちいずれか一を用いているので、特に、基板上の形成膜への紫外線の照射処理中に第２の反射板の反射面を上下移動させ、或いは反射面の角度を適宜変え得るようにすることにより、基板上の形成膜への紫外線照射を均一化することができる。

これにより、形成膜の品質を高めつつ、絶縁膜の強度を維持又は向上させるとともに、絶縁膜の低誘電率化を図ることが可能となる。

以上、実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。

例えば、上記実施の形態では、基板保持面１２と反対方向に向かう紫外線の向きを、基板保持面１２の方に変えさせる第１の反射板１４を有しているが、それを省略してもよい。

また、本発明を減圧中で紫外線照射処理を行う場合に適用しているが、場合により大気中で紫外線照射処理を行う場合にも適用可能である。

また、紫外線照射源として、紫外線ランプ１３ａが石英からなる保護管１３ｂにより保護されているものを用いているが、これに限られない。他の構造のものでもよい。

また、第１の実施の形態の紫外線照射処理装置を備えた第２の実施の形態の半導体製造装置を低誘電率絶縁膜の作成方法に適用しているが、窒化膜に紫外線を照射することで、窒化膜の比誘電率を調整する方法や、レジスト膜のエッチング耐性を向上させる方法に適用可能である。

本発明の第１実施形態である紫外線照射処理装置の構成について示す側面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態である紫外線照射処理チャンバ内の第２の反射板の設置方法について示す側面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態である紫外線照射処理チャンバ内の第２の反射板の駆動方法について示す側面図（その１）である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態である紫外線照射処理チャンバ内の第２の反射板の駆動方法について示す側面図（その２）である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態である紫外線照射処理チャンバ内の第２の反射板の駆動方法について示す側面図（その３）である。 本発明の第１実施形態である他の紫外線照射処理装置の構成について示す側面図である。 本発明の第２実施形態である半導体製造装置の構成について示す側面図である。 本発明の第２実施形態である他の半導体製造装置の構成について示す側面図である。

符号の説明

１、５１ ロードロックチャンバ
２、５５ トランスファチャンバ
３、３ａ、５３ 紫外線照射処理チャンバ（紫外線照射処理装置）
４ 第１の反射板
１０ 基板保持具
１１ 基板保持台
１３ 紫外線発生源
１３ａ 紫外線ランプ
１３ｂ 保護管
１３ｃ 隙間
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ 第２の反射板
１８ 回転軸
２１ 加熱手段
２２ 配管
５２ 成膜チャンバ（成膜装置）
５４ アニールチャンバ（加熱装置）
９１ 基板
１０１、１０２ 紫外線照射処理装置
１０３、１０４ 半導体製造装置
Ｇ１ 窒素ガスの供給源
Ｇ２ 不活性ガスの供給源
Ｇ３ 酸素ガスの供給源
Ｇ４ シロキサン結合を有する化合物の供給源

Claims (13)

1. 処理室と、
   前記処理室内に設けられた、紫外線の照射処理を受ける基板を保持する基板保持具と、
   前記基板保持具の基板保持面に対向するように前記処理室内に設けられた紫外線発生源と、
   前記紫外線発生源と前記基板保持面との間に設けられた紫外線の反射板とを備え、
   前記反射板は前記紫外線の反射面を上下移動させ、或いは該反射面の角度を変えることができるようになっていることを特徴とする紫外線照射処理装置。
2. 前記反射板は、少なくとも前記反射面が金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、又は高融点金属で構成されていることを特徴とする請求項１記載の紫外線照射処理装置。
3. 前記反射板は、セラミックの基体に前記金（Ａｕ）膜、アルミニウム（Ａｌ）膜、又は高融点金属膜をコーティングしたものであることを特徴とする請求項２記載の紫外線照射処理装置。
4. 前記紫外線発生源は、複数の紫外線ランプが前記基板保持面に対向するように横に並べられてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の紫外線照射処理装置。
5. 前記反射板は、前記紫外線発生源と前記基板保持面との間であって、前記各紫外線ランプの間又は直下に設けられ、前記反射面が、前記紫外線発生源と前記基板保持面との間を上下移動し得るようになっていることを特徴とする請求項４記載の紫外線照射処理装置。
6. 前記反射板は、前記紫外線発生源と前記基板保持面との間であって、前記各紫外線ランプの間又は直下に設けられ、前記反射面が、前記紫外線発生源に対向する方向から前記基板保持面に対向する方向まで任意の角度で変えられるようになっていることを特徴とする請求項４又は５の何れか一に記載の紫外線照射処理装置。
7. 前記基板保持具は、前記基板保持面が上下方向の運動、横方向の運動、又は、前記基板保持面に垂直な軸の周りの回転運動のうち少なくともいずれか一を行い得るようになっていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の紫外線照射処理装置。
8. 前記基板保持具は、前記基板保持面に保持された基板を加熱する手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記載の紫外線照射処理装置。
9. 処理室と、
   前記処理室内に設けられた、紫外線の照射処理を受ける基板を保持する基板保持具と、
   前記基板保持具の基板保持面に対向するように前記処理室内に設けられた紫外線発生源と、
   前記紫外線発生源と前記基板保持面との間に設けられた紫外線の反射板とを備え、前記反射板は前記紫外線の反射面を上下移動させ、或いは該反射面の角度を変えることができるようになっている紫外線照射処理装置を用いた紫外線照射処理方法であって、
   前記基板保持具の基板保持面に基板を保持して紫外線の照射処理を行っているときに、前記反射面を上下移動させ、或いは前記反射面の角度を適宜変えることにより前記基板への紫外線の照射を調節することを特徴とする紫外線照射処理方法。
10. 請求項１乃至７のいずれか一に記載の紫外線照射処理装置と、加熱装置とが直列に接続され、又はトランスファチャンバを介して並列に接続され、前記基板を大気に曝さずに、紫外線照射処理と、加熱処理とを連続して行うことができるようにしたことを特徴とする半導体製造装置。
11. 成膜装置と、請求項８記載の紫外線照射処理装置とが直列に接続され、又はトランスファチャンバを介して並列に接続され、前記基板を大気に曝さずに、成膜と、紫外線照射処理と、加熱処理とを連続して行うことができるようにしたことを特徴とする半導体製造装置。
12. 成膜装置と、請求項１乃至７のいずれか一に記載の紫外線照射処理装置と、加熱装置とが直列に接続され、又はトランスファチャンバを介して並列に接続され、前記基板を大気に曝さずに、成膜と、紫外線照射処理と、加熱処理とを連続して行うことができるようにしたことを特徴とする半導体製造装置。
13. 前記成膜装置は、化学気相成長装置、又は塗布装置であることを特徴とする請求項１１又は１２のいずれか一に記載の半導体製造装置。

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