JP2009094503A - 紫外線による材料キュアのための半導体処理装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】紫外線キュアの効率を向上させ、キュア済みの低誘電率膜の膜特性を改善する。
【解決手段】低誘電率材料を半導体処理中に処理チャンバ内でキュアする方法が与えられる。該低誘電率材料は紫外線が照射されてキュアされる。処理チャンバ内の雰囲気は、紫外線の照射中、２５から１００００ppmの酸素濃度を有する。酸素は、低誘電率材料中の-Si-H基及び-Si-OH基の形成を制限し、それにより、低誘電率材料中の吸湿及び酸化が減少する。
【選択図】図１
【解決手段】低誘電率材料を半導体処理中に処理チャンバ内でキュアする方法が与えられる。該低誘電率材料は紫外線が照射されてキュアされる。処理チャンバ内の雰囲気は、紫外線の照射中、２５から１００００ppmの酸素濃度を有する。酸素は、低誘電率材料中の-Si-H基及び-Si-OH基の形成を制限し、それにより、低誘電率材料中の吸湿及び酸化が減少する。
【選択図】図１
Description
本願発明は、半導体処理に関し、特に、紫外線を使って半導体基板上の材料をキュアするための半導体処理装置及び方法に関する。
紫外線処理装置は、さまざまな被処理体上の材料の紫外線モディフィケーションまたは光化学反応を使って物質を生成する際に使用されてきた。近年のデバイスの高集積化の要請による配線の微細化及び多層構造化の結果、層間容量を減少させることが重要になってきた。層間容量が減少すれば、集積回路などのデバイスの速度が増加し、デバイスの電力消費も低減する。
層間容量を減少させるために、低誘電率材料（Low-k）の膜が使用されてきた。これらの材料は、酸化シリコンなどの従来の材料に比べ誘電率が低い。しかし、これらの材料は、酸化シリコンなどの従来の材料に比べ（典型的に、弾性係数ＥＭとして測定した）機械的強度が低い。結果として、典型的に低誘電率材料は、後処理における、化学機械的研磨（ＣＭＰ）、ワイヤボンディング、及び実装による応力に耐えることが困難となる。
この問題を解決するひとつの方法は、紫外線照射により低誘電率材料をキュアすること（紫外線キュア）である。紫外線キュアは、例えば、ここに参考文献として組み込む、米国特許第6,759,098号及び第6,296,909号に記載されている。紫外線照射により低誘電率材料を収縮させかつ硬化させることが可能である。紫外線キュアは５０〜２００％だけ当該低誘電率材料の機械的強度を増加させることができる。
米国特許第6,759,098号公報
米国特許第6,296,909号公報
処理スループットを向上させるためには、キュアの効率を向上させる必要がある。さらに、紫外線キュア済みの低誘電率膜を改良する必要がある。
したがって、効率を向上させかつ所望の材料特性を与える紫外線キュア装置及び方法が要求されている。
本発明のひとつの態様に従い、半導体処理の方法が与えられる。当該方法は、処理チャンバ中の半導体基板上に低誘電率膜を与える工程を含む。該低誘電率膜は紫外線を使った照射によりキュアされる。該低誘電率膜は、キュア工程中に、約２５〜１００００ppmのＯ２を含むプロセスガスに晒される。
本発明の他の態様に従い、集積回路を製造するための方法が与えられる。当該方法は、約２５と約１００００ppmの間のＯ２濃度の雰囲気を有する処理チャンバ内に基板を与える工程を含む。該基板は露出した低誘電率材料を有する。該低誘電率材料は紫外線により照射されてＳｉ−Ｏ結合を形成するが、一方で不活性ガスから成る雰囲気中で該低誘電率材料の紫外線照射による-Si-H基及び-Si-OH基の形成が抑制される。低誘電率材料は、紫外線による照射と同時にＯ２と反応し、それにより該低誘電率材料からＨ２Ｏが放出される。
本発明の他の態様に従い、半導体処理装置が与えられる。当該装置は紫外線ソースを有する紫外線照射チャンバを含む。紫外線照射チャンバとガス連通するＯ２ソースが与えられる。約２５と約１００００ppmとの間に紫外線放射チャンバ内のＯ２濃度を維持しながら、紫外線照射チャンバ内の低誘電率材料を紫外線で照射するよう制御器によりプログラムされている。
吸湿及び酸化が、例えば、誘電率が４またはそれ以下の紫外線キュア済みの低誘電率材料で観測された。吸湿及び酸化は材料の誘電率を不所望に増加させ、かつ、時間経過とともに応力に関連する変化を引き起こす。結果として、一般に、紫外線キュア中に酸化剤に晒すのを防止する必要があると考えられてきた。したがって、低誘電率材料の酸化を防止するために、典型的に酸化種がない不活性ガス雰囲気中で、紫外線キュア処理が実行されてきた。
低誘電率材料中の-Si-H基または-Si-OH基もまた吸湿及び酸化に寄与することがわかってきた。低誘電率材料は、有機ケイ酸塩ガラス及び誘電率が４以下の他の材料を含む、炭素及びシリコン材料から構成される。紫外線の照射により、低誘電率材料中のシリコンがＨまたはＯＨ基と結合し、-Si-H基または-Si-OHが形成される。このことは、低誘電率材料にとって好ましくない。理論的な矛盾がなければ、これらの基は水を形成または吸収するよう反応し、材料の誘電率に悪影響を及ぼすものと考えられる。
低誘電率材料を酸素に晒すのは、酸化の観点から好ましくないと考えられてきたが、Ｏ２含有雰囲気中での紫外線キュアが材料の強度安定性及び誘電率制限のために有利であることがわかった。適切な濃度のＯ２に晒すことにより、-Si-H基または-Si-OH基の生成を抑制することができ、吸湿及び誘電率への悪影響が減少することがわかった。
好ましくは、本発明の好適実施形態において、低誘電率材料は、約２５〜１００００ppmのＯ２または約２５〜１０００ppmのＯ２を含む雰囲気の処理チャンバ内で紫外線照射されてキュアされる。理論的な矛盾がなければ、Ｏ２含有雰囲気中で紫外線に晒されると、-Ｈ及び-ＯＨ基がＨ２Ｏとして放出され、-Si-H基及び-Si-OH基の生成が抑制され、一方で-O-Si結合の形成が促進される。結果として、酸素原子に結合するシリコンのネットワーク(-Si-O-)の形成を助けることによりキュア効率が改善される。よって、本発明の好適実施形態は-Si-H基及び-Si-OH基の生成を抑制し、かつ、不活性ガスのみを含む雰囲気中で同様の紫外線キュア処理をした場合に比べ、約１０％またはそれ以上キュア効率が向上する。いくつかの実施形態において、低誘電率材料の誘電率は紫外線キュア処理後に約２．８またはそれ以下となる。
以下、図面を参照して説明する。
本発明の好適実施形態は、さまざまな既知の紫外線キュア装置に応用することができる。図１はその紫外線キュア装置の一例を示すが、本発明はこれに限定されない。
図１を参照して、紫外線照射装置１０が示されている。該紫外線照射装置１０は、紫外線放射装置１２、照射窓１４、Ｏ２ソース１７及び処理ガスソース１９に接続されたガス導入コンジット１６、リアクタボディ１８、サセプタ２０、真空ポンプ２２、圧力制御バルブ２４及び処理チャンバ２６を含む。
紫外線照射装置１２はチャンバ２６の頂部に設置されている。紫外線照射装置１２は紫外線を連続的に及びパルス状に放射することが可能な紫外線放射ボディ２８を含む。
サセプタ２０は紫外線放射ボディ２８と平行でかつ対向するように設置されている。紫外線を透過するガラスまたは他の材料で形成された照射窓１４が、紫外線放射ボディ２８の間に平行に挿入されている。基板３２はサセプタ２０の上に載置されている。サセプタ２０は、サセプタ２０上に載置された基板を加熱するためのヒータ３０を具備する。
照射窓１４により、基板３２上で均一な紫外線照射が実現可能となる。例えば、照射窓１４は合成石英から形成され、紫外線を通過させると同時に大気雰囲気から処理チャンバ２６をシールドする。
図示された実施形態において、紫外線照射装置１２内部には、チューブ型の紫外線放射ボディ２８が設置されている。図１に示すように、複数の紫外線放射ボディ２８が設けられ、紫外線放射ボディ２８は、基板３２の均一な照射を与えるように配置されている。ひとつまたはそれ以上のランプの笠と同種の反射板３４が紫外線放射ボディ２８に近接して設けられ、紫外線放射ボディ２８からの紫外線を基板３２の方向へ反射するように配置されている。反射板３４の角度は基板３２を均一に照射するように調節される。紫外線放射ボディ２８は簡単に除去及び交換できるように設計されており、修理及びメンテナンスが容易である。
紫外線照射装置１０において、チャンバ２６内部の圧力は真空から大気圧付近またはそれ以上までの範囲で変化することが可能である。チャンバ２６は、紫外線照射装置１０のチャンバ２６を含む基板処理セクションと紫外線放射装置１２を含む紫外線放射セクションとを離隔するべく、照射窓１４が設置されているフランジによって、紫外線放射ボディ２８から分離されている。ガスは内部に複数のガス導入孔が形成されたフランジ３６を通じて導入される。そのガス導入孔の位置はガスの均一な流れ及び均一な処理雰囲気を形成するよう対称的である。
ひとつの実施形態において、紫外線キュア処理は以下のように実行される。チャンバ２６は、Ａｒ、ＣＯ、ＣＯ２、Ｃ２Ｈ４、ＣＨ４、Ｈ２、Ｈｅ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｎ２、Ｏ２、Ｘｅ、アルコールガス及び有機ガスを含む集合から選択されたガスで満たされ、約０．１Torrから大気圧付近または約１０００Torr（１Torr、１０Torr、５０Torr、１００Torr、１０００Torr、またはこれらの間の任意の２数間の値を含む）の圧力によりチャンバ２６内の雰囲気を作成する。紫外線による照射中に、処理チャンバ内の雰囲気は約２５〜１００００ppmの酸素ガスを含む。処理チャンバの雰囲気は、基板の紫外線照射の前及び／または最中に、体積濃度が約２５〜１００００ppm酸素を含む処理混合ガスを処理チャンバ内に流すことにより形成される。他の実施形態において、まず、所定のガス雰囲気が処理チャンバ内で確立され、その後、体積濃度が約２５〜１００００ppmの雰囲気を確立するようガス雰囲気へＯ２が添加される。Ｏ２は、基板が処理チャンバ内に搬入される前及び／または後に添加される。好適な実施形態において、Ｏ２及び不活性ガスが処理チャンバ雰囲気を構成する。
堆積された低誘電率膜などの低誘電率材料を有する処理ターゲット３２または半導体基板はゲートバルブ４２を介してロードロックチャンバ４０から搬入され、サセプタ２０上に載置される。低誘電率膜は既知のさまざまな方法により形成することができる。例えば、ここに参考文献として組み込む、米国特許第6,514,880号、第6,455,445号及び第7,144,620号には、適切な方法が記載されている。サセプタ２０は、約０℃から約６５０℃の温度（１０℃、５０℃、１００℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃またはこれらの任意の２数間の値の温度を含むが、好ましくは、３００℃と４５０℃との間の温度）に調節され、その後、波長が約１００nm〜４００nm（１５０nm、約１９０nmまたはそれ以下、２００nm、２５０nm、３００nm、３５０nmまたはこれらの任意の２数間の値を含むが、好ましくは、約２００nm〜約３００nm）の紫外線により、半導体基板３２上の低誘電率材料が照射される。
紫外線放射ボディ２８はさまざまな既知の紫外線ランプを含む。紫外線ランプの例として、水銀ランプ及びエキシマランプが含まれる。エキシマランプとして１７２nmの深紫外線（ＤＵＶ）を出力するＸｅエキシマランプが含まれ、これは、高いエネルギー及び急速なキュア速度の特徴を有している。水銀ランプは低圧から非常に高圧までのランプの圧力により変化し、波長が１８５nm、２５４nm、３６５nmなどの紫外線を放射する。
図１を再び参照して、基板３２は紫外線放射ボディ２８から所望の距離だけ離隔されており、それはいくつかの実施形態において約１〜１００cmである。基板表面上での紫外線強度は約１〜１０００mW/cm2（１０mW/cm2、５０mW/cm2、１００mW/cm2、２００mW/cm2、５００mW/cm2、８００mW/cm2、またはこれらの任意の２数間の値を含む）である。紫外線は連続的に、または約１〜１０００Hzの周波数（１０Hz、１００Hz、２００Hz、５００Hz、またはこれらの任意の２数間の値を含む）でパルス状に放射される。照射時間は、約１秒から６０分（５秒、１０秒、２０秒、５０秒、１００秒、２００秒、５００秒、１０００秒またはこれらの２数間の値を含む）である。照射時間は照射されるべき材料の厚さに基づいて選択されてもよい。例えば、厚さが５００nmの膜に対して、照射時間は約３０分である。紫外線照射の後、処理チャンバ２６内のガスは排気口４４から排気される。こうして半導体処理装置１０は、制御器４６によりプログラムされた自動シーケンスに従い、上記した一連の処理工程を実行する。ひとつの実施形態において、処理工程は、処理チャンバ内へガスを導入する工程、基板上の低誘電率膜に紫外線を照射する工程、紫外線の照射を停止する工程、及び処理チャンバ内へのガス流を停止する工程を含む。
本発明の実施形態は、既知のさまざまな低誘電率材料をキュアするのに応用可能である。本発明の好適実施形態は、シリコン、酸素及び炭素原子を含む低誘電率材料に適用される際に特に有利である。理論的に矛盾がなければ、典型的な紫外線キュア処理において、紫外線照射は低誘電率材料中の-CH3結合及び-Si-O結合を破壊し、-Si-O結合を再構成し、O-Si-Oネットワークを確立し、それによって、低誘電率材料の機械的強度が改善される。基板が照射されるところの雰囲気は、典型的に、不活性ガス雰囲気であったが、それは低誘電率材料の酸化を防止するために使用されていた。Ｎ２、Ｈｅ、Ａｒ、その他の周知の不活性ガスが不活性ガスとして使用可能である。
低誘電率材料中のSi-O結合及びSi-CH3結合は紫外線照射により破壊され、処理チャンバ内で加熱することによりＳｉ原子が再びＯ原子を結合し、O-Si-Oネットワークが形成される。その結果、機械的強度が増加する。しかし、シリコン原子はＨまたはＯＨと結合し、その結果Si-H及びSi-OH結合が形成される。これらは、低誘電率材料にとって不所望なものであることがわかった。例えば、理論的に矛盾しなければ、-Si-H基及び-Si-OH基は、低誘電率材料中で吸湿及び酸化を引き起こすと考えられ、その結果、時間の経過とともに誘電率が増加しかつ応力が変化する。このような置換反応を生じることなく低誘電率膜をキュアすることが、膜の強度安定性及び低誘電率を維持する点から所望される。
有利なことに、約２５〜１００００ppm、好ましくは２５〜１０００ppm、より好ましくは１２５〜２５０ppmの酸素濃度を有するキュア雰囲気中でＯ２を供給することにより、低誘電率材料の誘電率が低い値を保ちながら、低誘電率材料からＨ２Ｏの-H及び-OHの解離が生じることがわかった。よって、-Si-H基及び-Si-OH基の生成が抑制される。さらに、Ｏ２はSi-O結合の形成を助け、それにより、Ｏ２を使用しない紫外線キュア処理に比べ、キュア効率（低誘電率材料の所望のキュアに要する時間）が増加する。例えば、キュア効率は、約１０％またはそれ以上有利に上昇する。
以下、紫外線キュアした低誘電率材料膜の特性測定実験を行ったので説明する。
まず、Aurora ELK（商標）膜（日本エー・エス・エム社開発による）が複数の基板上に形成された。Aurora ELK膜は誘電率が約２．５の低誘電率膜である。Aurora ELK膜は紫外線ソースとして高圧水銀ランプを使ってキュアされた。当該膜は、４００℃の温度、７５Torrの圧力で６００秒間キュアされた。キュアチャンバ内の雰囲気は、Ｎ２及びＯ２の混合ガスから成る。処理チャンバ雰囲気中でさまざまなＯ２濃度を達成するように、Ｎ２の処理チャンバ雰囲気中にＯ２が添加された。
Ｎ２雰囲気中に、０ppm、２５ppm、１２５ppm、２５０ppm、５００ppm、７５０ppm、１０００ppm及び２０００ppmの濃度のＯ２を添加して膜をキュアした後、低誘電率膜の異なる特性が測定された。測定された膜特性は、赤外線分光（ＦＴ−ＩＲ）、誘電率、及び弾性係数（ＥＭ）を含む。
図２は、上記したさまざまなレベルのＯ２濃度を含む雰囲気中で低誘電率膜をキュアした後に取られたＦＴ-ＩＲスペクトルを示す。図２に示すように、９００cm-1付近の比較的大きなピークは、キュア済みの低誘電率膜中のSi-OH基の存在を示している。
キュアによる低誘電率膜の変化をより顕著に表すため、図３Ａ及び図４はキュア前後での膜のＦＴ-ＩＲスペクトルの相違を示している。Ｏ２濃度が増加するに従い、９００cm-1及び２２００cm-1付近のピークは減少し、１０００cm-1及び１０５０cm-1付近のピークは増加している。１０００cm-1及び１０５０cm-1付近のピークはO-Si-O結合の存在を示している。有利なことに、これらの図は、Ｏ２を添加することにより、Si-H基及びSi-OH基の生成が抑制されることを示している。一方、低誘電率膜の基本構造であるO-Si-O結合の数が増加しているのがわかる。
Si-H結合の発生に対するO-Si-O結合の発生の変化は、キュア済みの膜のＦＴ-ＩＲスペクトル中のSi-Oピークの面積に対するSi-Hピークの面積の比率として図３Ｂに示される。紫外線キュア雰囲気中の酸素濃度が増加するに従い、Si-H結合の発生が減少する。酸素濃度が約５００ppmまたはそれ以上になると、Si-H/Si-O面積比率は減少してゼロに近づく。
図５は、Ｏ２濃度に対する低誘電率膜の誘電率の変化を示したものである。図５から、低誘電率膜の誘電率は有利に低い状態のままであることがわかる。実験した酸素濃度に対して、誘電率は約２．８以下または約２．５であった。誘電率の変化は、酸素濃度が約１２５〜１０００ppmでは無視できる程度であり、酸素濃度が１０００〜２０００ppmではわずかに上昇するに留まった。
図６は、Ｏ２濃度に対するキュア後の膜の弾性係数の変化を示したものである。図６から、紫外線キュアの雰囲気中のＯ２の存在により、低誘電率膜の弾性係数が増加したことがわかる。有利なことに、弾性係数は、酸素濃度が約１０００ppmになるまで増加し続けることが観測された。理論的に矛盾がなければ、Ｏ２の存在によるO-Si-O結合の発生の増加が弾性係数を増加させたものと考えられる。
発明の思想及び態様から離れることなく、上記した方法及び構造において、さまざまな省略、付加及び修正が可能であることは当業者の知るところである。このような修正及び変更は、本願の特許請求の範囲に記載する発明の態様の範囲に含まれるものである。
Claims (22)
- 半導体を処理する方法であって、
処理チャンバ内の基板の上に低誘電率膜を形成する工程と、
前記低誘電率膜に紫外線を照射することにより、前記低誘電率膜をキュアする工程と、
を含み、
前記キュアする工程の間、前記低誘電率膜を、２５から１００００ppmの酸素を含む処理ガスに晒すことを特徴とする方法。 - 前記処理ガスは、２５から１０００ppｍの酸素を含む、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 前記処理ガスは、前記酸素と混合された不活性ガスから成る、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 前記不活性ガスは、Ｎ２、Ｈｅ及びＡｒから成る集合から選択される、
ことを特徴とする請求項３記載の方法。 - 前記低誘電率膜を前記処理ガスに晒すことにより、-Si-H基の形成が抑制される、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 前記低誘電率膜を前記処理ガスに晒すことにより、-Si-OH基の形成が抑制される、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 前記低誘電率膜は有機ケイ酸塩ガラスから成る、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 前記キュアする工程は、波長が１００から４００nm、強度が１から１０００mW/cm2の紫外線を１秒から６０分の時間の間照射することにより実行される、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 前記キュアする工程は、前記処理チャンバ内の温度を０と６５０℃の間に維持し、前記処理チャンバ内の圧力を０．１Torrと１０００Torrの間に維持して実行される、
ことを特徴とする請求項８記載の方法。 - 前記キュアする工程は、１と１０００Hzの間の周波数の複数のパルス状の紫外線を、前記低誘電率膜に照射する工程を含む、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 集積回路を製造する方法であって、
酸素の濃度が２５ppmと１００００ppmの間の処理チャンバ雰囲気を有する処理チャンバ内に、露出した低誘電率材料を有する基板を配置する工程と、
-Si-H基及び-Si-OH基の形成を抑制しながらSi-O結合を生成するよう、前記低誘電率材料に紫外線を照射する工程と、
を含み、
前記紫外線を照射する工程において、前記低誘電率材料は、前記酸素と反応して、前記低誘電率材料からＨ２Ｏが放出される、ことを特徴とする方法。 - 前記紫外線の波長は１９０nmまたはそれ以下である、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。 - 前記低誘電率材料に紫外線を照射する工程により、前記低誘電率材料の誘電率は２．８０またはそれ以下に維持される、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。 - 前記紫外線を照射した後の前記低誘電率材料の弾性係数は８．０GPaまたはそれ以上である、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。 - 前記低誘電率材料は、シリコン原子、炭素原子及び酸素原子を含む、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。 - 前記低誘電率材料に紫外線を照射する工程により、-O-Si-O-ネットワークが形成される、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。 - 前記低誘電率材料は、誘電率が４またはそれ以下である、
ことを特徴とする請求項１１記載の方法。 - 半導体を処理する装置であって、
紫外線ソースを有する紫外線照射チャンバと、
前記紫外線照射チャンバとガス連通する酸素ソースと、
前記紫外線照射チャンバ内の酸素濃度を２５から１００００ppmに維持しながら、前記紫外線照射チャンバ内の低誘電率材料を紫外線により照射するようプログラムされた制御器と、
を備えたことを特徴とする装置。 - 前記紫外線ソースは紫外線ランプである、
ことを特徴とする請求項１８記載の装置。 - 前記紫外線ソースは水銀ランプである、
ことを特徴とする請求項１８記載の装置。 - 前記制御器は、前記低誘電率材料を前記紫外線により照射する間、前記紫外線照射チャンバ内を、酸素及び不活性ガスから成る雰囲気に維持するようプログラムされている、
ことを特徴とする請求項１８記載の装置。 - 前記制御器は、前記低誘電率材料を前記紫外線により照射する間、前記紫外線照射チャンバ内部の酸素濃度を１２５から１０００ppmに維持するようプログラムされている、
ことを特徴とする請求項１８記載の装置。
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