JP2010129790A - Deposition method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体ウエハ等に対してマイクロ波や高周波等の電磁波を照射することにより成膜材料を加熱して成膜を行う成膜方法に関する。 The present invention relates to a film forming method for forming a film by heating a film forming material by irradiating a semiconductor wafer or the like with electromagnetic waves such as microwaves and high frequencies.
一般に、半導体デバイスを製造するには、半導体ウエハに成膜処理、パターンエッチング処理、酸化拡散処理、改質処理、アニール処理等の各種の熱処理を繰り返し行なって所望のデバイスを製造するが、半導体デバイスが高密度化、多層化及び高集積化するに伴ってその仕様が年々厳しくなっており、これらの各種の熱処理のウエハ面内における均一性の向上及び膜質の向上が特に望まれている。 In general, a semiconductor device is manufactured by repeatedly performing various heat treatments such as a film formation process, a pattern etching process, an oxidation diffusion process, a modification process, and an annealing process on a semiconductor wafer. As the density increases, the number of layers increases, and the level of integration increases, the specifications become stricter year by year, and it is particularly desired to improve the uniformity and film quality of these various heat treatments in the wafer surface.
例えば半導体ウエハの表面に金属膜や絶縁膜等を形成する場合には、一般的には加熱ランプや加熱ヒータを有する処理装置を用いて、この処理装置の処理容器内で半導体ウエハを加熱し、この時に処理容器内へ供給した原料ガスを気相反応によって酸化や還元等の化学反応させて所望の薄膜を半導体ウエハの表面に堆積させたり、或いは半導体ウエハの表面に付着した原料ガスを表面反応によって酸化や還元等の化学反応をさせて所望の薄膜を表面に堆積させるようになっている。 For example, when a metal film or an insulating film is formed on the surface of a semiconductor wafer, the semiconductor wafer is generally heated in a processing container of the processing apparatus using a processing apparatus having a heating lamp or a heater, At this time, the source gas supplied into the processing vessel is subjected to a chemical reaction such as oxidation or reduction by a gas phase reaction to deposit a desired thin film on the surface of the semiconductor wafer, or the source gas attached to the surface of the semiconductor wafer is subjected to a surface reaction. Thus, a desired thin film is deposited on the surface by a chemical reaction such as oxidation or reduction.
また、半導体ウエハをアニール処理する場合には、上述のような加熱ランプ等を用いた装置の他にＬＥＤ素子やレーザ素子を有する処理装置も用いられ、更にはマイクロ波や高周波等の電磁波を用いて半導体ウエハを加熱するようにした処理装置も提案されている（特許文献１〜８）。
Further, when annealing a semiconductor wafer, a processing apparatus having an LED element or a laser element is used in addition to the apparatus using the heating lamp as described above, and electromagnetic waves such as microwaves and high frequencies are used. There have also been proposed processing apparatuses for heating a semiconductor wafer (
ところで、上述のような加熱ランプや加熱ヒータを用いた処理装置で行われる成膜方法では、成膜の材料として原料ガス等を用いて、この原料ガス等の各種ガスを精度良く流量制御しつつ供給しなければならないことから、ガス供給系が非常に複雑化していた。 By the way, in the film forming method performed by the processing apparatus using the heating lamp or the heater as described above, a raw material gas or the like is used as a film forming material, and the flow rate of various gases such as the raw material gas is accurately controlled. The gas supply system was very complicated because it had to be supplied.
また、加熱ランプや加熱ヒータを用いていることから、半導体ウエハの全体が加熱されるため、例えば下層に耐熱性の低い素子等がすでに作り込まれている半導体ウエハの表面に薄膜を形成する場合には、成膜時のプロセス温度をあまり高くできないような制約が加わり、十分に効率的な成膜処理ができない場合もあった。 In addition, since the entire semiconductor wafer is heated because a heating lamp and a heater are used, for example, when a thin film is formed on the surface of a semiconductor wafer in which elements having low heat resistance are already formed in the lower layer However, there is a case where a sufficiently efficient film forming process cannot be performed due to a restriction that the process temperature at the time of film forming cannot be increased too much.
そこで、上述のように主としてアニール装置として用いられていた電磁波を利用した処理装置を、半導体ウエハ等の表面に薄膜を形成する成膜装置として利用することも考えられるが、実用に耐え得るような成膜方法が提案されていないのが現状である。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、例えば主として粉体の成膜材料を用いた場合に成膜材料を選択的に加熱することができ、もって迅速に且つ効率的に成膜処理を行うことが可能な成膜方法を提供することにある。
Therefore, it is conceivable to use the processing apparatus using electromagnetic waves, which has been mainly used as an annealing apparatus as described above, as a film forming apparatus for forming a thin film on the surface of a semiconductor wafer or the like, but it can withstand practical use. At present, no film formation method has been proposed.
The present invention has been devised to pay attention to the above problems and to effectively solve them. An object of the present invention is to form a film capable of selectively heating the film forming material when, for example, a powder film forming material is used, so that the film forming process can be performed quickly and efficiently. It is to provide a method.
請求項１の発明は、被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、前記被処理体の表面に成膜材料を付着させて成膜材料層を形成する付着工程と、前記成膜材料層の形成された前記被処理体に電磁波を照射して前記成膜材料層を加熱することによって前記薄膜を形成する照射工程と、を有することを特徴とする成膜方法である。 The first aspect of the present invention is a film forming method for forming a thin film on a surface of an object to be processed, an attaching step of forming a film forming material layer by attaching a film forming material to the surface of the object to be processed; An irradiation step of forming the thin film by irradiating the object to be processed on which the material layer is formed with electromagnetic waves and heating the film forming material layer.
このように、被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、被処理体の表面に成膜材料を付着させて成膜材料層を形成する付着工程と、この被処理体に電磁波を照射して成膜材料層を加熱することによって薄膜を形成する照射工程とを有することにより、例えば主として粉体の成膜材料を用いた場合に成膜材料を選択的に加熱することができ、もって迅速に且つ効率的に成膜処理を行うことが可能となる。 As described above, in the film forming method for forming a thin film on the surface of the object to be processed, an attaching process for forming a film forming material layer by attaching the film forming material to the surface of the object to be processed, and electromagnetic waves are applied to the object to be processed. By having an irradiation step of forming a thin film by irradiating and heating the film forming material layer, the film forming material can be selectively heated when, for example, a powder film forming material is mainly used, Therefore, it is possible to perform the film forming process quickly and efficiently.
請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記成膜材料は、液体であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the film forming material is a liquid.
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記成膜材料は、粉体であることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記粉体は、液体中に混入されて液状化されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記粉体は、金属よりなることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the film forming material is a powder.
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the powder is mixed into a liquid and liquefied.
The invention of
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記粉体は、前記金属の融点以上の温度に加熱されることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項５又は６の発明において、前記粉体の半径の平均値ｄは、前記金属に対する前記電磁波の浸透深さδとの関係が式”２．０・δ≦ｄ≦２０・δ”を満たすような値に設定されていることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項６又は７の発明において、前記粉体は、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗよりなる群から選択される１以上の金属よりなることを特徴とする。
The invention of
The invention of
The invention of
請求項９の発明は、請求項４の発明において、前記粉体は、磁性材料よりなることを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項９の発明において、前記粉体は、前記磁性材料の融点以上の温度に加熱されることを特徴とする。
請求項１１の発明は、請求項９又は１０の発明において、前記磁性材料は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＭｇＯ、Ｆｅ３ Ｓｉ、酸化鉄、酸化クロム、フェライトよりなる群から選択される１以上の材料よりなることを特徴とする。
The invention according to
The invention of
The invention of
請求項１２の発明は、請求項４の発明において、前記粉体は、誘電材料よりなることを特徴とする。
請求項１３の発明は、請求項１２の発明において、前記粉体は、前記誘電材料の融点以上の温度に加熱されることを特徴とする。
請求項１４の発明は、請求項１２の発明において、前記粉体は、非極性液体中に混入されて液状化されていることを特徴とする。
The invention of
The invention of claim 13 is the invention of
The invention of
請求項１５の発明は、請求項１４の記載の発明において、前記粉体の加熱温度は、前記誘電材料の融点以下の範囲であることを特徴とする。
請求項１６の発明は、請求項１４又は１５の発明において、前記非極性液体は、ベンゼン、ヘキサンよりなる群より選択される１以上の材料よりなることを特徴とする。
A fifteenth aspect of the invention is characterized in that, in the invention of the fourteenth aspect, the heating temperature of the powder is in a range not higher than the melting point of the dielectric material.
The invention of
請求項１７の発明は、請求項１２乃至１６のいずれか一項に記載の発明において、前記誘電材料は、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３ ）、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３ ）、ＧＳＴ（ＧｅＳｂＴｅ）、ＨｆＳｉＯＮよりなる群から選択される１以上の材料よりなることを特徴とする。
請求項１８の発明は、請求項１２の発明において、前記誘電材料は、低誘電率の誘電材料よりなることを特徴とする。
The invention of claim 17 is the invention according to any one of
The invention of
請求項１９の発明は、請求項１８の発明において、前記粉体の加熱温度は、前記低誘電率の誘電材料の融点未満の範囲であることを特徴とする。
請求項２０の発明は、請求項１８又は１９の発明において、前記誘電率の誘電材料は、ＳｉＯ２ 、Ｃｘ Ｆｙ （ｘ、ｙは正の整数）、ボラジン（Ｂ３ Ｎ３ Ｈ６ ）よりなる群から選択される１以上の材料よりなることを特徴とする。
The invention of claim 19 is the invention of
The invention of
請求項２１の発明は、請求項１８乃至２０のいずれか一項に記載の発明において、前記粉体は、極性液体中に混入されて液状化されていることを特徴とする。
請求項２２の発明は、請求項２１の発明において、前記極性液体は、水、エチルアルコール、メチルアルコールよりなる群から選択される１以上の材料よりなることを特徴とする。
A twenty-first aspect of the invention is characterized in that, in the invention according to any one of the eighteenth to twentieth aspects, the powder is mixed in a polar liquid and liquefied.
The invention of
請求項２３の発明は、請求項１２乃至２２のいずれか一項に記載の発明において、前記照射工程では、降温時に前記電磁波の投入電力を制御することにより降温速度を調整するようにしたことを特徴とする。
請求項２４の発明は、請求項２の発明において、前記成膜材料は、極性液体中に混合されていることを特徴とする。
According to a twenty-third aspect of the present invention, in the invention according to any one of the twelfth to twenty-second aspects, in the irradiation step, the temperature lowering rate is adjusted by controlling the input power of the electromagnetic wave during the temperature lowering. Features.
The invention of claim 24 is characterized in that, in the invention of
本発明に係る成膜方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法において、被処理体の表面に成膜材料を付着させて成膜材料層を形成する付着工程と、この被処理体に電磁波を照射して成膜材料層を加熱することによって薄膜を形成する照射工程とを有することにより、例えば主として粉体の成膜材料を用いた場合に成膜材料を選択的に加熱することができ、もって迅速に且つ効率的に成膜処理を行うことができる。
According to the film forming method of the present invention, the following excellent operational effects can be exhibited.
In a film forming method for forming a thin film on the surface of an object to be processed, an adhesion process in which a film forming material is attached to the surface of the object to be processed to form a film forming material layer, and an electromagnetic wave is irradiated to the object to be processed. And an irradiation step of forming a thin film by heating the film material layer, for example, when a powder film forming material is mainly used, the film forming material can be selectively heated. The film forming process can be performed efficiently.
以下に、本発明に係る成膜方法の好適な一実施例について添付図面を参照して説明する。
まず、本発明方法は、被処理体の表面に成膜材料を付着させて成膜材料層を形成する付着工程と、上記成膜材料層の形成された上記被処理体に電磁波を照射して上記成膜材料層を加熱することによって薄膜を形成する照射工程とを有している。ここで被処理体としては、例えば薄い円板状のシリコン基板よりなる半導体ウエハが用いられ、その直径は例えば４５０ｍｍ、３００ｍｍ、８インチ（２００ｍｍ）、６インチ（１５０ｍｍ）等の種々の寸法のものを用いることができる。
Hereinafter, a preferred embodiment of a film forming method according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, according to the method of the present invention, a deposition material is deposited on the surface of an object to be processed to form a film forming material layer, and the object to be processed on which the film forming material layer is formed is irradiated with electromagnetic waves. And an irradiation step of forming a thin film by heating the film forming material layer. Here, as the object to be processed, for example, a semiconductor wafer made of a thin disk-shaped silicon substrate is used, and the diameter thereof has various dimensions such as 450 mm, 300 mm, 8 inches (200 mm), and 6 inches (150 mm). Can be used.
上記成膜材料としては、成膜すべき材料そのものを用い、その形状は例えば粉体、或いは液体であり、特にここでは主として粉体を用いている。成膜材料を粉体にすることにより、後述するように電磁波による加熱効率を大幅に向上させることができ、且つ半導体ウエハに対して成膜材料を選択的に加熱することができる。そして、成膜材料としては、金属、磁性材料、誘電材料を用いることができる。具体的には、上記金属としては特に非磁性のＣｕ、Ａｌ等を用い、上記磁性材料としてはＦｅ４ Ｏ４ 、ＭｇＯ等を用い、上記誘電材料としてはＳＴＯ（ストロンチウム・チタン酸化物）等を用いることができる。 As the film forming material, the material itself to be formed is used, and the shape thereof is, for example, powder or liquid. In particular, here, powder is mainly used. By using powder as the film forming material, the heating efficiency by electromagnetic waves can be greatly improved as described later, and the film forming material can be selectively heated with respect to the semiconductor wafer. A metal, magnetic material, or dielectric material can be used as the film forming material. Specifically, nonmagnetic Cu, Al or the like is used as the metal, Fe 4 O 4 or MgO is used as the magnetic material, and STO (strontium / titanium oxide) is used as the dielectric material. Can be used.
上記付着工程では、粉体、或いは液体の成膜材料をスピンコーティングやシャワーコーティングする。この場合、成膜材料が粉体の場合には粉体を単独で付着させてもよいが、この粉体を各種の液体中に混入させて液状化した状態でスピンコーティングやシャワーコーティングにより塗布して付着させるのが好ましい。また液体状の成膜材料を他の液体と混合させて塗布するようにしてもよい。上記液体としては、例えば水、メチルアルコール、エチルアルコール等の極性液体やベンゼン等の非極性液体を用いることができる。 In the adhesion step, powder or liquid film forming material is spin coated or shower coated. In this case, when the film forming material is a powder, the powder may be attached alone, but this powder is mixed with various liquids and liquefied and applied by spin coating or shower coating. It is preferable to make it adhere. Further, a liquid film forming material may be mixed with another liquid and applied. As said liquid, polar liquids, such as water, methyl alcohol, and ethyl alcohol, and nonpolar liquids, such as benzene, can be used, for example.
上記照射工程では、上記成膜材料を付着して表面に成膜材料層が形成された半導体ウエハに電磁波を照射することにより、電磁波加熱が生じて成膜材料をこの溶融温度、或いはそれに近い温度に加熱して薄膜を形成する。上記電磁波加熱としては、その成膜材料に応じてジュール加熱、磁性加熱、誘電加熱がそれぞれ単独で、或いは複数組み合わさって生じて材料が加熱される。この際、成膜材料が粉体の場合には、粉体間に電磁波が十分に入り込んで、成膜材料層の内部まで浸入して行くことになる。 In the irradiation step, electromagnetic waves are generated by irradiating a semiconductor wafer having the film formation material layer formed on the surface thereof by attaching the film formation material, thereby heating the film formation material at the melting temperature or a temperature close thereto. To form a thin film. As the electromagnetic wave heating, Joule heating, magnetic heating, and dielectric heating are generated individually or in combination according to the film forming material, and the material is heated. At this time, when the film forming material is powder, electromagnetic waves sufficiently enter between the powders and penetrate into the film forming material layer.
そして、この電磁波は、照射された材料に対して表面からある程度までの深さに浸透する性質があり、例えば金属表面では抵抗率が低く周波数が低いほど浸透する深度が浅くなり、さらには反射になって行く。そして、半導体ウエハなどは円板状の連続体であるために粉体の場合と比較してその表面積が小さいので単位体積当たりの電磁波の吸収量が少なくなる。これに対して、本発明のように粉体の場合は、表面積が大きいため単位体積当たりの電磁波の吸収量が多くなる。この結果、前述したように迅速に且つ効率的に成膜材料を選択的に加熱することが可能となり、半導体ウエハ自体はそれ程加熱されないことになる。 And this electromagnetic wave has the property of penetrating to a certain depth from the surface to the irradiated material.For example, on the metal surface, the lower the resistivity and the lower the frequency, the shallower the penetration depth, and further the reflection. Go. And since a semiconductor wafer etc. is a disk-shaped continuous body, its surface area is small compared with the case of powder, Therefore The electromagnetic wave absorption amount per unit volume decreases. On the other hand, in the case of powder as in the present invention, since the surface area is large, the amount of electromagnetic waves absorbed per unit volume increases. As a result, as described above, the film forming material can be selectively heated quickly and efficiently, and the semiconductor wafer itself is not heated so much.
ここで上記照射工程で用いられる熱処理装置の一例について説明する。図１は本発明の成膜方法を実施するための熱処理装置の一例を示す構成図である。図１に示すように、この熱処理装置２は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金により筒体状に成形された処理容器４を有している。この処理容器２の内面は、導入される電磁波が反射され易くするために鏡内仕上げされている。この処理容器４は被処理体である基板として例えば直径が３００ｍｍである薄い円板状のシリコン基板よりなる半導体ウエハＷを収容できるような大きさに設定されており、この処理容器４自体は接地されている。この処理容器４の天井部は開口されており、この開口部には、Ｏリング等のシール部材６を介して後述するように電磁波を透過する天板８が気密に設けられている。この天板８の材料としては、例えば石英や窒化アルミニウム等のセラミック材が用いられる。
Here, an example of the heat treatment apparatus used in the irradiation step will be described. FIG. 1 is a block diagram showing an example of a heat treatment apparatus for carrying out the film forming method of the present invention. As shown in FIG. 1, the
また、この処理容器４の側壁には、開口１０が設けられると共に、この開口１０には被処理体として例えば半導体ウエハＷを搬出入する際に開閉されるゲートバルブ１２が設けられる。また処理容器４には、処理時に必要なガスを内部へ導入するガス導入手段１４が設けられている。このガス導入手段１４としては、ここでは処理容器４の側壁に設けた複数本、図示例では２本のガスノズル１４Ａ、１４Ｂよりなり、これらの各ガスノズル１４Ａ、１４Ｂから処理に必要なガスを供給できるようになっている。尚、ガスノズルの数は２本に限定されず、用いるガス種によって増減することができる。
In addition, an
更には、ガス導入手段１４として、上記ガスノズルに代えて、処理容器４の天井部の直下に、電磁波に対して透明な材料である例えば石英製のシャワーヘッドを設けるようにしてもよい。また処理容器４の底部の周辺部には、排気口１６が形成されており、この排気口１６には、排気通路１８に圧力制御弁２０や真空ポンプ等の排気ポンプ２２等を介設してなる排気系２４が接続されており、処理容器４内の雰囲気を真空を含む減圧雰囲気に排気可能としている。またこの処理容器４の底部は大きく開口され、この開口に例えばＯリング等のシール部材２６を介在させて底部を兼ねる肉厚な載置台２８が気密に取り付け固定されていると共に、この載置台２８も接地されている。
Furthermore, instead of the gas nozzle, for example, a quartz shower head made of a material that is transparent to electromagnetic waves may be provided as the
この載置台２８は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金製の肉厚な載置台本体３０と、この上部に設けられる温調手段としての複数の熱電変換素子３２と、この熱電変換素子３２の上面側に設置される薄い円板状の載置板３４とにより構成され、この載置板３４上に被処理体である半導体ウエハＷを直接的に載置するようになっている。具体的には、上記熱電変換素子３２としては、例えばペルチェ素子が用いられる。
The mounting table 28 is installed on the upper surface side of the
このペルチェ素子は、異種の導体や半導体を電極によって直列に接続し電流を流すと接点間でジュール熱以外に熱の発生や吸熱が生じる素子であり、例えば２００℃以下の温度での使用に耐え得るＢｉ２ Ｔｅ３ （ビスマス・テルル）素子、より高温で使用できるＰｂＴｅ（鉛・テルル）素子、ＳｉＧｅ（シリコン・ゲルマニウム）素子等によって形成されており、熱電変換素子制御部３６にリード線３８を介して電気的に接続されている。熱電変換素子制御部３６は、前記ウエハＷの熱処理時に熱電変換素子に供給される電流の方向や大きさを制御する。
This Peltier element is an element that generates heat or absorbs heat in addition to Joule heat between contacts when different types of conductors or semiconductors are connected in series with electrodes and a current is passed. For example, it can withstand use at a temperature of 200 ° C. or lower. Bi 2 Te 3 (bismuth and tellurium) elements, PbTe (lead and tellurium) elements that can be used at higher temperatures, SiGe (silicon and germanium) elements and the like, and lead
このペルチェ素子よりなる熱電変換素子３２は、直径が３００ｍｍのウエハＷに対して例えば６０個の熱電変換素子３２を前記載置板３４の裏面側（載置台本体３０の上面側）に略全面にわたってほとんど隙間なく敷き詰めて配列されている。このように熱電変換素子３２を密接させて配置すると、ウエハＷと載置板３４を均一に加熱することができる。熱電変換素子３２の形状は、四角形に限らず、円形や六角形であってもよい。ここで熱電変換とは、熱エネルギーを電気エネルギーに、また電気エネルギーを熱エネルギーに変換することを言う。
The
ここで上記各熱電変換素子３２は、全体で一体的に温度制御を行うようにしてもよいが、グループ化して複数の加熱用ゾーンに区画し、各ゾーン毎に個別独立的に温度制御を行うようにしてもよい。尚、この温調手段としての熱電変換素子３２は必要な場合に設けるようにし、後述する電磁波による加熱が十分な場合には設けなくてもよい。
Here, the
上記載置台本体３０の内部には、熱媒体流路４０がその平面方向の略全面に亘って形成されている。この熱媒体流路４０は、上記熱電変換素子３２の下部に設けられており、ウエハＷの降温時に熱媒体として冷媒（水）が供給されることにより、上記熱電変換素子３２の下面から温熱を奪ってこれを冷却するように構成されている。また、ウエハＷの昇温時には必要に応じて温媒が供給されることにより、熱電変換素子３２の下面から冷熱を奪ってこれを加熱するように構成されている。この熱媒体流路４０は、熱媒体を送給する媒体循環器４２に熱媒体導入管４４と熱媒体排出管４６を介して接続されており、これにより、媒体循環器４２は熱媒体を熱媒体流路４０に循環供給する。
Inside the mounting table
また上記熱電変換素子３２上に設置される載置板３４の材料としては、例えばＳｉＯ２ 材、ＡｌＮ材、ＳｉＣ材、Ｇｅ材、Ｓｉ材、金属材等によって製作される。また載置台２８にはウエハＷを昇降する図示しない昇降機構が設けられ、この昇降機構は、載置台本体３０及び載置板３４を貫通してウエハＷを下から支持する複数本の昇降自在な支持ピンと、これらの支持ピンを昇降させる駆動装置等で構成されている。尚、上記載置板３４上に静電チャックを設けるようにしてもよい。
As the material of the mounting
また、載置台本体３０には、これを上下方向に貫通する貫通孔４８が形成されており、ここに放射温度計５０が設置される。具体的には、上記貫通孔４８に上記載置板３４の下面まで延びる光ファイバ５２を気密状態で挿通して載置板３４からの輻射光を案内し得るようになっている。そして、この光ファイバ５２の端部には放射温度計本体５４が接続されており、所定の測定波長帯域の光より載置板３４の温度、すなわちウエハ温度を測定できるようになっている。
Further, the mounting table
そして、処理容器４の天板８の上方には、上記ウエハＷに向けて電磁波を照射する電磁波供給手段５６が設けられている。ここで電磁波としては、周波数が１０ＭＨｚ〜２０ＴＨｚの範囲の電磁波を用いることができ、ここでは一例として２８ＧＨｚのマイクロ波領域の電磁波を用いた場合を例にとって説明する。
An electromagnetic wave supply means 56 for irradiating electromagnetic waves toward the wafer W is provided above the
具体的には、この電磁波供給手段５６は、上記天板８の上面に設けられた入射アンテナ部５８と、例えば１２ＧＨｚ〜１０ＴＨｚの範囲内の周波数の電磁波を発生することができる電磁波発生源６０を有している。そして、この電磁波発生源６０と上記入射アンテナ部５８とが導波路６２により連結されている。上記電磁波発生源６０としては、例えばジャイロトロン、マグネトロン、クライストロン、進行波管等を用いることができ、具体的には上述のように２８ＧＨｚを用いることができ、この他に８２．７ＧＨｚ、１１０ＧＨｚ、１６８ＧＨｚ、８７４ＧＨｚ等の周波数の電磁波を用いることができる。
Specifically, the electromagnetic wave supply means 56 includes an incident antenna portion 58 provided on the top surface of the
そして、この電磁波発生源６０より出力された電磁波は、例えば矩形導波管やコルゲート導波管等よりなる導波路６２により天板８上に設けた入射アンテナ部５８に導かれる。そして、この入射アンテナ部５８には、図示しない複数の鏡面反射レンズや反射ミラーが設けられており、上記導かれた電磁波を処理容器４内の処理空間Ｓに向けて反射して導入できるようになっている。
The electromagnetic wave output from the electromagnetic
この場合にも、上記反射された電磁波は天板８を透過して処理空間Ｓに導入されてウエハＷの表面に直接的に照射されることになり、これにより、半導体ウエハＷの表面の成膜材料層を選択的に加熱することができるようになっている。
Also in this case, the reflected electromagnetic wave passes through the
そして、この熱処理装置２の全体の動作は、例えばマイクロコンピュータ等よりなる制御手段６４により制御されるようになっており、この動作を行うコンピュータのプログラムはフレキシブルディスクやＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）やフラッシュメモリやハードディスク等の記憶媒体６６に記憶されている。具体的には、この制御手段６４からの指令により、ガスの供給や流量制御、電磁波の供給や電力制御、プロセス温度やプロセス圧力の制御等が行われる。そして、このように構成された熱処理装置２を用いて前述した照射工程が行われることになる。
The entire operation of the
照射工程の具体例としては、まず、ゲートバルブ１２を介して半導体ウエハＷを搬送アーム（図示せず）により処理容器４内に収容し、図示しない昇降ピンを上下動させることによりウエハＷを載置台２８の載置板３４上に載置し、ゲートバルブ１２を閉じて処理容器４内を密閉する。この場合、上記半導体ウエハＷとしては、単体の半導体基板、例えばシリコン基板を用いてもよいし、化合物半導体基板、例えばＧａＡｓ基板等を用いてもよいし、いずれにしてもこの基板上に例えば各種のトランジスタ素子等が作り込まれており、その上面側に先の付着工程で施された成膜材料層が形成されている。
As a specific example of the irradiation process, first, the semiconductor wafer W is accommodated in the
次に、排気系２４によって処理容器４内を排気すると共に、ガス導入手段１４の各ガスノズル１４Ａ、１４Ｂから必要なガスを処理容器４内へ供給する。この場合、処理容器４内は、好ましくはプラズマが立たないようなプロセス圧力に維持する。このようなプロセス圧力は、例えば１．３Ｐａ以下の圧力、或いは０．１３Ｐａ以上の圧力である。また、上記成膜処理に必要なガスとしては、例えばＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ２ 等を用いることができる。またプロセス圧力として大気圧、或いは大気圧近傍の不活性ガス中で行ってもよい。更には、不活性ガスを供給しないで処理容器内を真空引きした状態で成膜処理を行ってもよい。
Next, the inside of the
上記操作と同時に、ペルチェ素子よりなる熱電変換素子３２に通電してウエハＷを加熱し、更に電磁波供給手段５６の電磁波発生源６０を駆動することにより、この電磁波発生源６０にて発生したマイクロ波を、導波路６２を介して入射アンテナ部５８に供給してマイクロ波を放射させて天板８を透過し、これにより処理空間Ｓにマイクロ波を導入させる。処理空間Ｓに導入されたマイクロ波はウエハＷの表面に照射される。
Simultaneously with the above operation, the microwave generated by the electromagnetic
これにより、上記マイクロ波よりなる電磁波の照射により、半導体ウエハＷの全体がある程度加熱されるが、特に半導体ウエハＷの表面に形成されている成膜材料層が選択的に加熱されることになる。すなわち、処理容器４内へ導入された電磁波は、成膜材料層の粉体間に電磁波が十分に入り込んで浸入して行き、電磁波加熱によってこれを迅速に且つ効率的に加熱することができる。そして、粉体を例えば溶融することによって薄膜が形成されることになる。この場合、後述するように、成膜材料が金属よりなる場合において、その粉体の半径を限定することにより、より一層、迅速に且つ効率的に加熱することができる。
As a result, the entire semiconductor wafer W is heated to some extent by the irradiation of the electromagnetic wave made up of the above microwaves. In particular, the film forming material layer formed on the surface of the semiconductor wafer W is selectively heated. . That is, the electromagnetic wave introduced into the
上述のような加熱成膜において、半導体ウエハＷ自体は、これに先に作り込まれている下層の半導体素子、例えばトランジスタ等の素子が熱的なダメージを受けない温度範囲内になるように温度調整を行い、下層の半導体素子等の熱的ダメージを抑制できる範囲内において、上層である成膜材料層の迅速加熱を実現できるようにしている。 In the heating film formation as described above, the temperature of the semiconductor wafer W itself is set so as to be within a temperature range in which an underlying semiconductor element, for example, an element such as a transistor is not thermally damaged. Adjustment is made so that rapid heating of the upper film-forming material layer can be realized within a range in which thermal damage to the lower semiconductor element or the like can be suppressed.
ここで、成膜材料が電磁波によって加熱される原理について簡単に説明する。まず、用いる成膜材料の種類によって電磁波加熱の電力Ｐ［Ｗ／ｍ３ ］は以下の式のように与えられる。 Here, the principle that the film forming material is heated by electromagnetic waves will be briefly described. First, the electromagnetic wave heating power P [W / m 3 ] is given by the following equation depending on the type of film forming material used.
Ｐ＝σ・｜Ｅ｜２ ／２＋π・ｆ・μｏ・μｒ・｜Ｈ｜２ ＋π・ｆ・εｏ・εｒ・｜Ｅ｜２
ここで各記号は以下の通りである。
σ：成膜材料の導電率［Ｓ／ｍ］
Ｅ：電界強度［Ｖ／ｍ］
ｆ：周波数［１／ｓｅｃ］
μｏ：真空中の透磁率［Ｈ／ｍ］
μｒ：成膜材料の比透磁率
Ｈ：磁界強度［Ａ／ｍ］
εｏ：真空中の誘電率［Ｆ／ｍ］
εｒ：成膜材料の比誘電率
P = σ · | E | 2 /2 + π · f · μo · μr · | H | 2 + π · f · εo · εr · | E | 2
Here, each symbol is as follows.
σ: Conductivity of film forming material [S / m]
E: Electric field strength [V / m]
f: Frequency [1 / sec]
μo: permeability in vacuum [H / m]
μr: relative permeability of film forming material H: magnetic field strength [A / m]
εo: dielectric constant in vacuum [F / m]
εr: relative dielectric constant of film forming material
ここで上記式の右辺の第１項の”σ・｜Ｅ｜２ ／２”はジュール加熱を意味し、第２項の”π・ｆ・μｏ・μｒ・｜Ｈ｜２ ”は磁性加熱を意味し、第３項の”π・ｆ・εｏ・εｒ・｜Ｅ｜２ ”は誘電加熱を意味することになる。
Wherein said expression of the first term of the
そして、成膜材料の特性によって、上記ジュール加熱と磁性加熱と誘電加熱の３つの加熱態様が単独で、或いは複数組み合わさって成膜材料の加熱に寄与することになる。上記ジュール加熱では発生する渦電流によって加熱がなされる。上記磁性加熱では電磁波の磁気成分に対して磁性を生む電子スピンが応答し、そして、自発磁化により内部エネルギーの変化分がフォノンに転化して加熱される。また、上記誘電加熱は、電磁波の電界に対して極性を持つ分子が応答して振動することによって加熱され、比誘電率εｒと誘電正接ｔａｎδの積が誘電損となり、この値に比例して加熱が行われる。 Depending on the characteristics of the film forming material, the above three heating modes of Joule heating, magnetic heating, and dielectric heating contribute to heating the film forming material singly or in combination. In the Joule heating, heating is performed by an eddy current generated. In the magnetic heating, the electron spin that generates magnetism responds to the magnetic component of the electromagnetic wave, and the change in internal energy is converted into phonons and heated by spontaneous magnetization. In addition, the dielectric heating is performed when molecules having polarity with respect to the electric field of the electromagnetic wave vibrate and vibrate, and the product of the relative permittivity εr and the dielectric loss tangent tan δ becomes a dielectric loss. Is done.
以下に、成膜材料が金属の場合、磁性材料の場合、誘電材料の場合のそれぞれについてその成膜方法を詳しく説明する。 Hereinafter, the film forming method will be described in detail for each of the case where the film forming material is a metal, the case of a magnetic material, and the case of a dielectric material.
＜成膜材料が金属の場合＞（ジュール加熱）
まず、成膜材料が金属の粉体の場合について説明する。図２は成膜材料が金属の場合の成膜方法の一例を示す工程図、図３は金属の粉体の半径と吸収エネルギーとの関係を示すグラフである。
<When film-forming material is metal> (Joule heating)
First, a case where the film forming material is a metal powder will be described. FIG. 2 is a process diagram showing an example of a film forming method when the film forming material is a metal, and FIG. 3 is a graph showing the relationship between the radius of the metal powder and the absorbed energy.
まず、図２（Ａ）に示すように、半導体ウエハＷを用意する。この半導体ウエハＷは例えばシリコン基板等よりなり、この上面には前工程で例えばトランジスタ等の各種の素子が作り込まれており、その上面には例えばパターン化されたＳｉＯ２ 膜等により絶縁層（図示せず）が形成されている。そして、ここでは金属の配線層等を薄膜として形成することになる。そして、図２（Ｂ）に示すように、上記半導体ウエハＷの上面に、成膜材料を付着させることにより成膜材料層７０を形成する（付着工程）。
First, as shown in FIG. 2A, a semiconductor wafer W is prepared. The semiconductor wafer W is made of, for example, a silicon substrate, and various elements such as transistors are formed on the upper surface in the previous process. An insulating layer (for example, a patterned SiO 2 film is formed on the upper surface of the semiconductor wafer W. (Not shown) is formed. In this case, a metal wiring layer or the like is formed as a thin film. Then, as shown in FIG. 2B, a film
この場合、上述のように成膜材料としては金属の粉体７２が用いられる。この金属の粉体７２は、これを単独で付着させてもよいが、この粉体７２を液体に混入して液状化し、この液状化した粉体７２を前述したようにスピンコートやシャワーコートにより塗布させることによって、所望の厚さ、例えば０．２μｍ程度の薄い成膜材料層７０を形成する。上記金属としては、磁性、非磁性を問わず、例えばＺｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗよりなる群から選択される１以上の金属を用いることができるが、特にＺｎ、Ａｌ、Ｃｕ等の非磁性の金属を多く適用できる。また上記液体としては、例えば水、メチルアルコール、エチルアルコール、ベンゼン等を用いることができる。
In this case, as described above, the metal powder 72 is used as the film forming material. The metal powder 72 may be attached alone, but the powder 72 is mixed into a liquid to be liquefied, and the liquefied powder 72 is spin coated or shower coated as described above. By applying, a thin film forming
このようにして、付着工程が完了したならば、次に電磁波を照射する照射工程へ移行する。この照射工程では、先に図１において説明したような熱処理装置２を用い、この半導体ウエハＷの表面に対して、図２（Ｃ）に示すように電磁波７４を照射する。これにより、先に説明したようにこの表面の成膜材料層７０を選択的に加熱して金属よりなる粉体７２を例えば融点以上の温度まで加熱して溶融させて薄膜７２Ａを形成することになる。この薄膜７２Ａは、上述したように溶融から凝固を経て、結晶性の膜状態になり、下層の界面密着性も向上させることができる。
In this way, when the adhesion process is completed, the process proceeds to an irradiation process for irradiating an electromagnetic wave. In this irradiation step, the
この場合、前述したように成膜材料は粉体状（粉末）になされているので、電磁波が金属の粉体７２間に浸入し易くなっており、これを迅速に且つ効率的に選択加熱することができる。加熱温度は、金属の粉体７２が、銅の場合は、例えば９８０〜１０００℃程度、アルミニウムの場合は６６０〜７００℃程度、亜鉛の場合は４２０〜４６０℃程度である。また、ここでは金属の粉体７２は導電性を有しているので、各粉体７２毎に内部で渦電流が発生し、この結果、各金属の粉体７２を一層迅速に且つ効率的に選択加熱することができる。 In this case, as described above, since the film forming material is in the form of powder (powder), the electromagnetic wave is likely to enter between the metal powders 72, and this is selectively and quickly heated. be able to. When the metal powder 72 is copper, the heating temperature is, for example, about 980 to 1000 ° C., aluminum is about 660 to 700 ° C., and zinc is about 420 to 460 ° C. Here, since the metal powder 72 has conductivity, an eddy current is generated inside each powder 72. As a result, each metal powder 72 is more quickly and efficiently produced. Selective heating is possible.
ここで上記金属の粉体７２の規格化した半径（規格化半径）ｄ／２δの最適な値は、図３に示すようにピーク値となる２．０程度であり、その時の吸収エネルギーのピーク値は、２．５［Ｗ／ｍ３ ］である。尚、”ｄ”は粉体７２の半径を示し、”δ”は後述する浸透深さを示す。従って、ピーク値の半分、すなわち１．３［Ｗ／ｍ３ ］以上の吸収エネルギーを得るためには、金属の粉体７２の規格化半径ｄ／２δを１．０〜１０の範囲内に設定するのが好ましいことが判る。 Here, the optimum value of the normalized radius (standardized radius) d / 2δ of the metal powder 72 is about 2.0 as a peak value as shown in FIG. 3, and the peak of the absorbed energy at that time The value is 2.5 [W / m 3 ]. Here, “d” indicates the radius of the powder 72, and “δ” indicates the penetration depth described later. Therefore, in order to obtain half the peak value, that is, an absorption energy of 1.3 [W / m 3 ] or more, the normalized radius d / 2δ of the metal powder 72 is set within a range of 1.0 to 10. It can be seen that this is preferable.
従って、上記粉体７２の半径ｄの最適値は、”２．０δ≦ｄ≦２０δ”の範囲内であり、この式を満たすように粉体７２の半径を設定することにより、発生する渦電流により金属の粉体７２を一層迅速に且つ効率的に加熱することができる。 Therefore, the optimum value of the radius d of the powder 72 is within the range of “2.0δ ≦ d ≦ 20δ”, and the eddy current generated by setting the radius of the powder 72 to satisfy this equation. Thus, the metal powder 72 can be heated more rapidly and efficiently.
ここで上記”δ”は、導電体試料の深さ方向に電磁場が浸透していく程度を示す浸透深さ［μｍ］を表し、以下の式で与えられる。
δ＝５．０３×１０７ ×√（ρ／μｒ・ｆ）
ここで上記各記号は以下のようである。
ρ：抵抗率［Ωｃｍ］
μｒ：比透磁率
ｆ：周波数［Ｈｚ］
上記半径ｄが小さ過ぎると、粉体７２が電界に埋もれてしまって渦電流が有効に発生せず、また、半径ｄが大き過ぎると粉体の表面のみに渦電流が発生して表面のみの加熱となって内部まで加熱することができない。
Here, “δ” represents the penetration depth [μm] indicating the degree of penetration of the electromagnetic field in the depth direction of the conductor sample, and is given by the following equation.
δ = 5.03 × 10 7 × √ (ρ / μr · f)
Here, the symbols are as follows.
ρ: resistivity [Ωcm]
μr: relative permeability f: frequency [Hz]
If the radius d is too small, the powder 72 is buried in the electric field and eddy currents are not effectively generated. If the radius d is too large, eddy currents are generated only on the surface of the powder and It cannot be heated to the inside due to heating.
これに対して、半径ｄを上記したような範囲内に設定することにより、粉体７２の内部まで渦電流が発生するので、これを迅速に且つ効率的に選択加熱することができる。尚、一般的に上記粉体７２の半径（直径）を精度良くコントロールして製粉するのはかなり困難であり、粉体の半径は正規分布を呈すことになることから、この正規分布のピーク値を上記半径ｄとする。そして、前述したように、シリコン基板Ｗ自体は、それ程加熱されないので、これに予め作り込まれている下層の半導体素子等が熱的ダメージを受けることを防止することができる。 On the other hand, by setting the radius d in the above-described range, an eddy current is generated up to the inside of the powder 72, and this can be selectively heated quickly and efficiently. In general, it is quite difficult to perform milling by accurately controlling the radius (diameter) of the powder 72, and the radius of the powder exhibits a normal distribution. Is the radius d. As described above, since the silicon substrate W itself is not heated so much, it is possible to prevent the lower layer semiconductor element or the like previously formed therein from being thermally damaged.
＜成膜材料が磁性材料の場合＞（磁性加熱）
次に成膜材料が磁性材料（磁性体）の粉体の場合について説明する。図４は成膜材料が磁性材料の場合の成膜方法の一例を示す工程図、図５は磁性材料を利用した半導体素子の１つである磁気抵抗メモリの一例を示す概略構成図である。
<When film-forming material is magnetic material> (Magnetic heating)
Next, the case where the film forming material is a powder of a magnetic material (magnetic material) will be described. FIG. 4 is a process diagram showing an example of a film forming method when the film forming material is a magnetic material, and FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing an example of a magnetoresistive memory which is one of semiconductor elements using the magnetic material.
まず、図４（Ａ）に示すように、半導体ウエハＷを用意する。この半導体ウエハＷは例えばシリコン基板等よりなり、この上面には前工程で例えばトランジスタ等の各種の素子が作り込まれており、その上面には例えばパターン化されたＳｉＯ２ 膜等により絶縁層（図示せず）が形成されている。そして、ここでは金属の配線層等を薄膜として形成することになる。そして、図４（Ｂ）に示すように、上記半導体ウエハＷの上面に、成膜材料を付着させることにより成膜材料層７０を形成する（付着工程）。
First, as shown in FIG. 4A, a semiconductor wafer W is prepared. The semiconductor wafer W is made of, for example, a silicon substrate, and various elements such as transistors are formed on the upper surface in the previous process. An insulating layer (for example, a patterned SiO 2 film is formed on the upper surface of the semiconductor wafer W. (Not shown) is formed. In this case, a metal wiring layer or the like is formed as a thin film. Then, as shown in FIG. 4B, a film
この場合、上述のように成膜材料としては磁性材料の粉体７６が用いられる。この磁性材料の粉体７６は、これを単独で付着させてもよいが、この粉体７６を液体に混入して液状化し、この液状化した粉体７２を前述したようにスピンコートやシャワーコートにより塗布させることによって、所望の厚さ、例えば０．２μｍ程度の薄い成膜材料層７０を形成する。上記磁性材料としては、例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＭｇＯ、Ｆｅ３ Ｓｉ、酸化鉄（Ｆｅ３ Ｏ４ 等）、酸化クロム、フェライトよりなる群から選択される１以上の材料を用いることができるが、特にＦｅ３ Ｏ４ 、ＭｇＯ等の金属酸化物やＦｅ３ Ｓｉ等の金属ケイ化物を多く適用できる。また上記液体としては、例えば水、メチルアルコール、エチルアルコール、ベンゼン等を用いることができる。
In this case, as described above, the magnetic material powder 76 is used as the film forming material. The magnetic material powder 76 may be attached alone, but the powder 76 is mixed into a liquid to be liquefied, and the liquefied powder 72 is spin-coated or shower-coated as described above. The thin film-forming
このようにして、付着工程が完了したならば、次に電磁波を照射する照射工程へ移行する。この照射工程では、先に図１において説明したような熱処理装置２を用い、この半導体ウエハＷの表面に対して、図４（Ｃ）に示すように電磁波７４を照射する。これにより、先に説明したようにこの表面の成膜材料層７０を選択的に加熱して磁性材料よりなる粉体７６を例えば融点以上の温度まで加熱して溶融させて薄膜７６Ａを形成することになる。この薄膜７６Ａは、上述したように溶融から凝固を経て、結晶性の磁区の揃った膜状態になり、下層の界面密着性も向上させることができる。
In this way, when the adhesion process is completed, the process proceeds to an irradiation process for irradiating an electromagnetic wave. In this irradiation step, the
この場合、前述したように成膜材料は粉体状（粉末）になされているので、電磁波が磁性材料の粉体７６間に浸入し易くなっており、これを迅速に且つ効率的に選択加熱することができる。加熱温度は、磁性材料の粉体７６が、Ｆｅ３ Ｏ４ の場合は、例えば１５００〜１５３８℃程度、ＭｇＯの場合は３２００〜３２５０℃程度、Ｆｅ３ Ｓｉの場合は１２００〜１３００℃程度である。そして、前述したように、シリコン基板Ｗ自体は、それ程加熱されないので、これに予め作り込まれている下層の半導体素子等が熱的ダメージを受けることを防止することができる。 In this case, since the film forming material is in the form of powder (powder) as described above, it is easy for electromagnetic waves to enter between the powders 76 of the magnetic material, and this is quickly and efficiently selectively heated. can do. When the magnetic material powder 76 is Fe 3 O 4 , the heating temperature is, for example, about 1500 to 1538 ° C., MgO is about 3200 to 3250 ° C., and Fe 3 Si is about 1200 to 1300 ° C. . As described above, since the silicon substrate W itself is not heated so much, it is possible to prevent the lower layer semiconductor element or the like previously formed therein from being thermally damaged.
また、ここで磁性材料としてＦｅ、Ｎｉ等の導電性のある金属を用いた場合には、先に説明したような渦電流が発生するので、ジュール熱による加熱も同時に行われることになる。また、磁性材料として金属酸化物であるＦｅ３ Ｏ４ 等を用いた薄膜７６Ａは、前述したように磁気抵抗メモリに用いることができる。具体的には、この磁気抵抗メモリは図５に示すように、ソースＳ、ドレインＤ、ゲートＧを有するスイッチングトランジスタのドレインＤ側に接続されたメモリ部７８の薄膜として用いることができる。
In addition, when a conductive metal such as Fe or Ni is used as the magnetic material here, an eddy current as described above is generated, so heating by Joule heat is also performed at the same time. The thin film 76A using a metal oxide such as Fe 3 O 4 as a magnetic material can be used for a magnetoresistive memory as described above. Specifically, as shown in FIG. 5, this magnetoresistive memory can be used as a thin film of a
＜成膜材料が誘電材料の場合＞（誘電加熱）
次に成膜材料が誘電材料（誘電体）の場合について説明する。図６は成膜材料が誘電材料の場合の成膜方法の一例を示す工程図である。
<When the film forming material is a dielectric material> (Dielectric heating)
Next, the case where the film forming material is a dielectric material (dielectric) will be described. FIG. 6 is a process diagram showing an example of a film forming method when the film forming material is a dielectric material.
まず、図６（Ａ）に示すように、半導体ウエハＷを用意する。この半導体ウエハＷは例えばシリコン基板等よりなり、この上面には前工程で例えばトランジスタ等の各種の素子が作り込まれている場合もあるが、メモリのキャパシタ膜やゲート絶縁膜として用いる場合もあり、適用される薄膜の部位によって下層の状態も異なってくる。そして、ここでは誘電層を薄膜として形成することになる。そして、図６（Ｂ）に示すように、上記半導体ウエハＷの上面に、成膜材料を付着させることにより成膜材料層７０を形成する（付着工程）。
First, as shown in FIG. 6A, a semiconductor wafer W is prepared. The semiconductor wafer W is made of, for example, a silicon substrate, and various elements such as transistors may be formed on the upper surface in the previous process, but may be used as a memory capacitor film or a gate insulating film. The state of the lower layer varies depending on the portion of the thin film to be applied. In this case, the dielectric layer is formed as a thin film. Then, as shown in FIG. 6B, a film
この場合、上述のように成膜材料としては誘電材料の粉体８０が用いられる。この誘電材料の粉体８０は、これを単独で付着させてもよいが、この粉体８０を液体に混入して液状化し、この液状化した粉体８０を前述したようにスピンコートやシャワーコートにより塗布させることによって、所望の厚さ、例えば０．２μｍ程度の薄い成膜材料層７０を形成する。上記誘電材料としては、例えばＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３ ）、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３ ）、ＧＳＴ（ＧｅＳｂＴｅ）、ＨｆＳｉＯＮよりなる群から選択される１以上の材料を用いることができるが、特にＳＴＯ、ＢＳＴ等の多元素高誘電体薄膜を多く適用できる。すなわち、ここでは高誘電率の誘電材料も低誘電率の誘電材料も、共に用いることができる。また上記液体としては、例えば水、メチルアルコール、エチルアルコール、ベンゼン等を用いることができる。
In this case, as described above, the
このようにして、付着工程が完了したならば、次に電磁波を照射する照射工程へ移行する。この照射工程では、先に図１において説明したような熱処理装置２を用い、この半導体ウエハＷの表面に対して、図６（Ｃ）に示すように電磁波７４を照射する。これにより、先に説明したようにこの表面の成膜材料層７０を選択的に加熱して誘電材料よりなる粉体８０を例えば融点以上の温度まで加熱して溶融させて薄膜８０Ａを形成することになる。この薄膜８０Ａは、上述したように溶融から凝固を経て、結晶性の膜状態になり、下層の界面密着性も向上させることができる。この粉体８０の加熱温度は、粉体８０の融点程度まで、或いは融点未満の温度で融点に近い温度まで加熱する場合もある。そして、上記薄膜８０Ａとしては比較的粒サイズの大きな結晶性の薄膜を得ることができる。
In this way, when the adhesion process is completed, the process proceeds to an irradiation process for irradiating electromagnetic waves. In this irradiation step, the
上述のような加熱により、前述したように成膜材料は粉体状（粉末）になされているので、電磁波が誘電材料の粉体８０間に浸入し易くなっており、これを迅速に且つ効率的に選択加熱することができる。加熱温度は、誘電材料の粉体８０が、ＳＴＯの場合は例えば２３００〜２４３０℃程度、ＢＳＴの場合は例えば２０００〜２１００℃程度、ＧＳＴの場合は５００〜６００℃程度である。そして、前述したように、シリコン基板Ｗ自体は、それ程加熱されないので、この下層に半導体素子等が予め作り込まれている場合には、これが熱的ダメージを受けることを防止することができる。
By heating as described above, the film-forming material is in the form of powder (powder) as described above, so that electromagnetic waves can easily enter between the
そして、このような誘電材料よりなる薄膜８０Ａは、前述したように、高誘電率の誘電材料を用いた場合には、トランジスタ部のｈｉｇｈ−ｋ膜（誘電率の高い膜）やメモリ部のキャパシタ膜やＰＲＡＨ（Ｐｈａｓｅ Ｃａｒｇｅ ＲＡＭ）の記憶素子ＧＳＴ（ＧｅＳｂＴｅ）などに用いることができ、低誘電率の誘電材料を用いた場合には、層間絶縁膜などに用いることができる。
As described above, the
上記誘電材料の粉体８０の照射工程では、電磁波の照射を終了する場合、定格電力の供給状態から瞬時にオフするように制御しているが、これに限定されず、電磁波の照射を終了して薄膜８０Ａを降温させる時には、電磁波の投入電力を少しずつ低下させるように制御して薄膜８０Ａの降温速度が遅くなるように、すなわちゆっくりと降温するように調整してもよい。これによれば、図６（Ｃ）に併記してあるように、薄膜８０Ａにおける結晶の粒径を大きくすることができる。また、この降温速度を制御することにより所望の大きさの結晶粒径を得ることができる。具体的には、電磁波の当入電力を定格出力の状態から例えば１〜６００ｓｅｃ程度の時間をかけてゼロ出力まで順次低下させるようにして、降温速度を制御する。これにより、所望の大きさの結晶粒径を得ることができる。
In the irradiation process of the
［誘電材料と非極性液体との混合］
上記成膜材料として誘電材料を用いた場合では、この誘電材料の塗布を行い易くするために、誘電材料を液体に混入させるのが好ましい点について説明したが、加熱のメカニズムを考慮すると、極性を持つ誘電材料の分子が電磁波の電界に対して振動することにより効率的に加熱することができるので、この極性を持つ粉体が振動し易くするためには、この粉体を十分な量の非極性液体中に混入させるのが好ましい。図７は非極性液体に混合された誘電材料を半導体ウエハの表面に塗布（付着）した時の状態を示す図である。
[Mixing of dielectric material and nonpolar liquid]
In the case where a dielectric material is used as the film forming material, it has been described that it is preferable to mix the dielectric material into the liquid in order to facilitate the application of the dielectric material. Since the dielectric material molecules can be efficiently heated by vibrating with respect to the electric field of the electromagnetic wave, a sufficient amount of non-powder is required to make the powder having this polarity easy to vibrate. It is preferable to mix in a polar liquid. FIG. 7 is a diagram showing a state when a dielectric material mixed with a nonpolar liquid is applied (attached) to the surface of a semiconductor wafer.
ここでは、上述したように成膜材料である誘電材料の粉体８０を、この粉体８０が電磁波に晒された時に自由に振動できる程度の十分な量の非極性液体中に混入させて、これを半導体ウエハＷの表面に塗布（付着）し、成膜材料層７０を形成している。この場合、上述したようにこの成膜材料層７０にあっては、十分な量の非極性液体８４中に上記誘電材料の粉体８０が混入された状態となっている。図７中では、この発明の理解を容易にするために、非極性液体８４の層を厚く記載している。
Here, as described above, the
この非極性液体８４としては、例えばベンゼン、ヘキサン等を用いることができる。また誘電材料としては、先に説明した実施形態と同様に高誘電率の誘電材料と低誘電率の誘電材料を共に用いることができる。 As this nonpolar liquid 84, for example, benzene, hexane or the like can be used. As the dielectric material, both a high dielectric constant dielectric material and a low dielectric constant dielectric material can be used as in the above-described embodiment.
このように、多量の非極性液体８４に混入された誘電材料の粉体８０を塗布して形成した成膜材料層７０に、前述したように電磁波を照射することにより、粉体８０内に電磁波が浸入してこれらを誘電加熱するのみならず、極性を持つ粉体８０自身が電磁波によって自由に振動して加熱されるので、先に説明した場合よりも、更に一層迅速に、且つ効率的に選択加熱することができる。
As described above, the film forming
この場合、上記非極性液体８４は、極性を有していないのでそれ程加熱されないことになる。またこの場合にも、電磁波を遮断する時に、投入電力を順次低下させるようにして降温速度を制御すれば、薄膜の結晶の粒径の大きさをコントロールすることができる。 In this case, the nonpolar liquid 84 is not heated so much because it has no polarity. Also in this case, the size of the crystal grain size of the thin film can be controlled by controlling the temperature lowering rate by sequentially reducing the input power when blocking electromagnetic waves.
［低誘電率の誘電材料と極性液体との混合］
成膜材料として誘電材料を用いた先の実施形態では、高誘電率の誘電材料も低誘電率の誘電材料も適用する場合を例にとって説明したが、ここでは主として低誘電率の誘電材料を適用する場合について説明する。
[Mixing of dielectric material with low dielectric constant and polar liquid]
In the previous embodiment using a dielectric material as a film forming material, the case where a dielectric material having a high dielectric constant and a dielectric material having a low dielectric constant is applied as an example. However, here, a dielectric material having a low dielectric constant is mainly applied. The case where it does is demonstrated.
具体的には、ここでは低誘電率の誘電材料、すなわちＬｏｗ−ｋ粉体を極性液体、すなわち高誘電率液体に混入させて用いる。図８は低誘電率の誘電材料を極性液体に混入させた場合の成膜方法の一部を示す工程図である。ここでは図８（Ａ）に示すように、低誘電率の誘電材料の粉体８６を極性液体８８中に混入させて、例えばペースト状（練り粉）になされており、これが半導体ウエハＷの表面に付着（塗布）されて成膜材料層７０が形成されている。
Specifically, here, a dielectric material having a low dielectric constant, that is, a low-k powder is used by mixing it with a polar liquid, that is, a high dielectric constant liquid. FIG. 8 is a process diagram showing a part of a film forming method when a dielectric material having a low dielectric constant is mixed in a polar liquid. Here, as shown in FIG. 8A, a
この低誘電率の誘電材料としては、例えばＳｉＯ２ 等を用いることができる。また、上記極性液体（高誘電率液体）８８としては、例えば水、メチルアルコール、エチルアルコール等を用いることができる。 As the low dielectric constant dielectric material, for example, SiO 2 can be used. As the polar liquid (high dielectric constant liquid) 88, for example, water, methyl alcohol, ethyl alcohol, or the like can be used.
そして、図８（Ｂ）に示すように、前述と同様に上記成膜材料層７０に電磁波７４を照射すると、低誘電率の誘電材料の粉体８６の加熱は遅いが、極性液体８８の極性を持つ分子が電磁波の電界に対して強く振動して急速に加熱されることになり、この極性液体８８が蒸発して乾燥し、薄膜８６Ａが形成される。この際、上記極性液体８８が蒸発して膜中から抜け切れない蒸気が、上記薄膜８６Ａ中にポア（空孔）９０として形成されることになる。この場合、上記成膜材料層７０の加熱温度は、低誘電率の誘電材料の融点未満であって融点に近い温度である。
Then, as shown in FIG. 8B, when the film
このように薄膜８６Ａを形成することにより、薄膜８６Ａ中にポア９０を形成することができるので、誘電率のより低い、すなわちＬｏｗ−ｋの絶縁膜を迅速且つ効率的に選択加熱することができる。この場合、電磁波を照射している時の投入電力を調整して加熱速度を制御することにより、薄膜８６Ａ中に形成されるポア９０の比率を、例えば５０〜８０％程度の範囲内で調整することができるので、薄膜８６Ａのｋ値（誘電率）をコントロールすることができる。
By forming the
またここでは低誘電率の誘電材料として固形状の粉体を用いたが、これに限定されず、液体の低誘電率の誘電材料を用いてもよい。この液体の低誘電率の誘電材料を上記極性液体８８に混入させて用いる。この液体の低誘電率の誘電材料としては、Ｂ（ボロン）、Ｎ（窒素）及びＣ（炭素）を含むボラジンを用いることができる。
Here, solid powder is used as the low dielectric constant dielectric material, but the present invention is not limited to this, and a liquid low dielectric constant dielectric material may be used. This liquid dielectric material having a low dielectric constant is mixed with the
尚、図１に示す電磁波を用いた熱処理装置は単に一例を示したに過ぎず、これに限定されないのは勿論である。また、ここでは被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、この半導体ウエハにはシリコン基板やＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮなどの化合物半導体基板も含まれ、更にはこれらの基板に限定されず、液晶表示装置に用いるガラス基板やセラミック基板等にも本発明を適用することができる。 Note that the heat treatment apparatus using electromagnetic waves shown in FIG. 1 is merely an example, and it is needless to say that the present invention is not limited to this. Although the semiconductor wafer is described as an example of the object to be processed here, the semiconductor wafer includes a silicon substrate and a compound semiconductor substrate such as GaAs, SiC, GaN, and the like, and is not limited to these substrates. The present invention can also be applied to glass substrates, ceramic substrates, and the like used in display devices.
２ 熱処理装置
４ 処理容器
１４ ガス導入手段
２４ 排気系
２８ 載置台
３２ 熱電変換素子
５６ 電磁波供給手段
５８ 入射アンテナ部
６０ 電磁波発生源
６２ 導波路
７０ 成膜材料層
７２ 金属の粉体
７２Ａ 粉体
７４ 電磁波
７６ 磁性材料の粉体
７６Ａ 薄膜
８０ 誘電材料の粉体
８０Ａ 薄膜
８４ 非磁性液体
８６ 低誘電率の誘電材料の粉体
８８ 極性液体
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
DESCRIPTION OF
Claims (24)
前記被処理体の表面に成膜材料を付着させて成膜材料層を形成する付着工程と、
前記成膜材料層の形成された前記被処理体に電磁波を照射して前記成膜材料層を加熱することによって前記薄膜を形成する照射工程と、
を有することを特徴とする成膜方法。 In a film forming method for forming a thin film on the surface of an object to be processed,
An attachment step of attaching a film forming material to the surface of the object to be processed to form a film forming material layer;
An irradiation step of forming the thin film by irradiating the object to be processed on which the film forming material layer is formed with electromagnetic waves and heating the film forming material layer;
A film forming method comprising:
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