CN100352011C - 半导体装置的制造设备和半导体装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体装置的制造设备和制造方法。在成膜室(11)的前级通过挡板等连接着装载闭锁室(12)。在装载闭锁室(12)上连接着供给N2气体和气体状或雾状的H2O的配管。该配管从汽化器(13)连接过来。在装载闭锁室(12)内设置有用于放置晶片(20)的搬运部(15)，在装载闭锁室(12)的外部配置有使用液体氮冷却搬运部(15)的冷却器(14)。搬运部(15)的温度被保持在例如-4℃。
Description
技术领域
本发明涉及适合于形成铁电体电容器和Al布线的半导体装置的制造设备和制造方法。
背景技术
在铁电体存储器等中使用的铁电体电容器中，已经公知的是：电容器膜(LiTaO3膜、Pb(Zr、Ti)O3(PZT)膜等)的斜方取向(<111>、<222>等)增强，电容器特性提高。因此，以往通过电容器膜自身的成膜条件和退火条件的优化来实现取向性的提高，但最近要求能更加有效地提高取向性的方法。
针对这种要求，已经公知在平面结构的铁电体电容器的下部电极的结晶取向性中，C轴取向(<002>、<001>等)越强，电容器膜的斜方取向越强，也在研究增强下部电极的C轴取向的方法。
并且，关于各种半导体装置中使用的Al布线，为了提高抗迁移性而形成了基底金属膜，为了获得好的效果，要求高取向性和厚膜化。
作为这些下部电极和基底金属膜的材料，主要使用Ti和Ta等高熔点金属，它们一般利用DC磁控溅射法等来成膜。另外，也有为了提高基底金属膜的C轴取向性而向溅射气体(Ar气体)混入水分的方法。
但是，当利用DC磁控溅射法形成Ti膜时，有时Ti的取向性依赖于成膜室的到达真空的程度和处理批次数量等而发生变动。
并且，仅仅单纯地向溅射气体混入水分，不能获得足够的取向性。另外，当水分附着在成膜室的夹具上时，该水分就成为异常放电(arc-plazma)的原因，放电不稳定，有时会产生丘和异物。并且，水分中的氧长期滞留，有时也会引发基底金属膜的氧化。其结果，产生剥离和电阻上升的不良情况，反而迁移性降低。
非专利文献1オオワキ等，“Preferred Orientation in Ti FilmsSputter-Deposited on SiO2 Glass：The Role of Water Chemisorptionon the Substrate”，ジヤパニ一ズフイジクス(Jpn.J.Appl.Phys)(日本物理应用杂志)，1997年2月1日发行，第36卷，p.L154-L157。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够以高取向性形成高熔点金属膜的半导体装置的制造设备和制造方法。
本发明涉及的半导体装置的制造设备具有：成膜室；金属膜形成单元，其在所述成膜室内，在半导体基板的上方形成金属膜，所述金属膜为铁电体电容器的下部电极膜；和水分供给单元，其在使用所述金属膜形成单元形成金属膜时，该水分供给单元仅在金属膜形成的初期阶段使所述金属膜中含有水分，所述制造设备特征在于，还具有：与所述成膜室连接的前处理室；和放置所述半导体基板的载物台，其中，所述水分供给单元具有：向所述前处理室内供给气体状或雾状H2O的成膜前水分供给单元；和把所述载物台的温度冷却到0℃以下的冷却单元。
在本发明涉及的半导体装置的制造方法中，首先，在前处理室内，在把半导体基板的温度保持在0℃以下的同时，向所述半导体基板的表面供给气体或雾状的H2O。然后，把所述半导体基板搬运到成膜室中。然后，在所述成膜室内，在所述半导体基板的上方形成金属膜的工序，其中所述金属膜为铁电体电容器的下部电极膜。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式涉及的半导体装置的制造设备的示意图。
图2是表示本发明的第2实施方式涉及的半导体装置的制造设备的示意图。
图3A是表示在第2实施方式中设有的汽化器的剖面图，图3B是表示汽化器上设有的配管的内部的剖面图。
具体实施方式
以下，参照附图具体说明本发明的实施方式。
(第1实施方式)
首先，说明本发明的第1实施方式。图1是表示本发明的第1实施方式涉及的半导体装置的制造设备的示意图。
在本实施方式中，在成膜室1内设有：放置晶片的晶片载物台2；在溅射中使用的靶3，例如Ti靶。另外，在成膜室1的前级设置有装载闭锁室(load lock chamber)(未图示)。
在成膜室1的排出侧通过阀门串联连接着高分子涡轮泵9和干式泵10。并且，根据分压测定成膜室1内的水分含有量的四极质量分析装置(Q-mass)4也通过阀门连接到成膜室1。
另外，在成膜室1的输入侧连接着纯Ar气体的供给线路和被添加了H2O的Ar气体的供给线路(第1供给单元)。在这些供给线路中分别设置有质量流控制器(MFC)7和8。
在四极质量分析装置4上连接着流量控制装置5，该流量控制装置5在质量流控制器7和8打开时控制它们的打开量，控制向成膜室1供给的气体的流量。由流量控制装置5和质量流控制器8构成了添加量控制单元。并且，在流量控制装置5上连接着控制质量流控制器7和8的打开/关闭的装置控制单元6。
下面，说明如上所述构成的半导体装置的制造设备的动作和使用该制造设备的铁电体存储器(半导体装置)的制造方法。
首先，在硅晶片等的半导体晶片上，进行控制晶体管等的半导体元件的形成、层间绝缘膜的形成及平坦化、触点孔的形成、以及钨(W)插头的形成等。
然后，使用上述的半导体装置的制造设备，利用DC溅射法成膜Ti膜，作为铁电体电容器的下部电极膜的一部分。表1表示成膜Ti膜时的质量流控制器7和8的状态。
在成膜Ti膜时，把半导体晶片放置在晶片载物台2上后，为了稳定成膜室1内的气体，使质量流控制器7和8为打开状态。使质量流控制器7和8打开的动作由装置控制单元6来控制。
从使质量流控制器7和8处于打开状态起经过3秒后，开始实际进行Ti膜的成膜。作为此时的成膜条件，例如，把成膜温度设为室温，把Ti膜的厚度设为20nm，把DC功率设为2.06kW，把Ar气体的流量设为100sccm。并且，在使用四极质量分析装置4检测成膜室1内的水分量的同时，利用流量控制装置5控制质量流控制器8的打开量使得成膜室1内的水分量达到规定的值，例如达到10～300ppm的程度。
并且，当从实际开始Ti膜的成膜后经过5秒时，通过装置控制单元6的控制，质量流控制器8处于关闭状态。即，向成膜室1的水分供给被切断，只供给Ar气体。
当质量流控制器8关闭后经过5～10秒时，结束Ti膜的成膜。
在这些一系列的Ti膜的成膜工序中，在使质量流控制器8处于打开状态后，使其处于关闭状态。因此，在质量流控制器8处于打开状态的期间，溅射气体中含有水分，成膜室1内存在水分。并且，与此并行，使用四极质量分析装置4控制成膜室1内的水分量。其结果，不会受到成膜室1的到达真空程度和处理批次数量等的影响，可以稳定地成膜C轴取向强的Ti膜。
并且，为了使结晶的取向一致，结晶生长初期的取向的控制极为重要，如果能够在初期获得较强的取向，在此后就没有必要供给水分。相反，当持续供给水分时，有可能在Ti膜中形成氧化物，使得电阻上升。因此，在上述的Ti膜的成膜工序中，虽然在其初期供给水分，但之后使质量流控制器8处于关闭状态，停止供给水分。
在Ti膜的成膜之后，在不同于成膜室1的室内，利用DC溅射法在Ti膜上形成Pt膜，作为下部电极膜的其他一部分。作为此时的成膜条件，例如，把成膜温度设为100℃，把Pt膜的厚度设为175nm，把DC功率设为1.04kW，把Ar气体的流量设为100sccm。不向Ar气体添加水分。
然后，利用RF溅射法在Pt膜上形成PZT膜作为电容器膜。作为此时的成膜条件，例如把成膜温度设为室温，把PZT膜的厚度设为200nm，把RF功率设为1.0kW，把Ar气体的流量设为15～25sccm。此时，Ar气体的流量被适当控制，以调整PZT膜中的Pb含有量。在PZT膜成膜之后，进行结晶化退火。
另外，PZT膜的成膜除RF溅射法外，也可以利用溶胶-凝胶法、MOCVD法等来进行。并且，也可以根据要求的电容器特性，在PZT膜中导入Ca、Sr和La等杂质。
在PZT膜成膜后，利用DC溅射法分两阶段成膜IrOx膜，作为铁电体电容器的上部电极膜。作为此时的成膜条件，例如把成膜温度设为20℃，把IrOx膜的厚度设为200nm。并且，在第一阶段，把DC功率设为1.04kW，把Ar气体的流量设为100sccm，把O2气体的流量设为100sccm，把成膜时间设为29秒。在第二阶段，把DC功率设为20.5kW，把Ar气体的流量设为100sccm，把O2气体的流量设为100sccm，把成膜时间设为22秒。
然后，利用摄影术和蚀刻术，把IrOx膜、PZT膜、Pt膜和Ti膜加工成铁电体电容器的形状。并且，通过进一步进行层间绝缘膜的形成及平坦化、触点孔的形成、以及布线的形成等，完成铁电体存储器。
根据这种第1实施方式，可以使用四极质量分析装置4检测成膜室1内的水分量，将其反馈并进行水分量的控制。因此，通过适当控制有助于Ti膜的取向性的水分的量，能够获得稳定的取向性。
另外，作为流量控制装置5，例如可以使用装配了控制程序的通用个人电脑。
(第2实施方式)
下面，说明本发明的第2实施方式。图2是表示本发明的第2实施方式涉及的半导体装置的制造设备的示意图。而图3A是表示第2实施方式设有的汽化器的剖面图，图3B是表示设在汽化器上的配管的内部的剖面图。
在本实施方式中，如图2所示，装载闭锁室(前处理室)12通过挡板等连接在成膜室11的前级。在装载闭锁室12上连接着供给N2气体和气体状或雾状的H2O的配管。该配管从汽化器(成膜前水分单元)13连接过来。
在汽化器13中，如图3A和图3B所示，设有水槽(第2添加单元)21、配水管22和排水管23。在水槽21的正上方配置有N2气体流通的配管24。在配管24上形成有与水槽21中储蓄的水的水面接触的开口部25。配管24是连接到装载闭锁室12的配管。
在这样构成的汽化器13中，从配水管22向水槽21供给水，在水槽21充满的状态下，N2气体在配管24内流过时，水槽21中的水蒸发，漂浮在水面正上方的水蒸气和N2气体一起在配管24内流过。
在装载闭锁室12内设置有用于放置晶片20的搬运部(载物台)15，在装载闭锁室12的外部配置有使用液体氮冷却搬运部15的冷却器14。搬运部15的温度被保持在0℃以下，例如-4℃。在搬运部15上设置有宽度比晶片20小的搬运滚轴。
另一方面，在成膜室11内设有：放置晶片20的晶片载物台16；在溅射中使用的靶17，例如Ti靶。并且，在成膜室11的输入侧连接着Ar气体的供给线路。在靶17上施加例如负的偏压。
另外，在第2实施方式中，虽然未图示，但是设有把成膜室11和装载闭锁室12内的压力降低到10-3Pa以下的泵(真空单元)。
下面，说明如上所述构成的半导体装置的制造设备的动作和使用该制造设备的铁电体存储器(半导体装置)的制造方法。
首先，和第1实施方式相同，在硅晶片等的半导体晶片上，进行控制晶体管等的半导体元件的形成、层间绝缘膜的形成及平坦化、触点孔的形成、以及钨(W)插头的形成等。
然后，使用上述的半导体装置的制造设备，利用DC溅射法成膜Ti膜，作为铁电体电容器的下部电极膜的一部分。
在Ti膜成膜时，首先把半导体晶片20放置在搬运部15上。然后，从配水管22向水槽21以例如20mm3/分的流量供给水。从水槽21溢出的水从排水管23排出。并且，以60sccm的流量使N2气体流向配管24。其结果，从水槽21蒸发的水蒸气(H2O气体)与N2气体一起被供给到装载闭锁室12内。另外，与此并行，把搬运部15的温度保持为例如-4℃。
其结果，在装载闭锁室12内，从配管24供给的水蒸气液化为雾状。并且，晶片20的温度达到0℃以下，同时在其表面供给含有水分的N2气体。因此，水滴附着在晶片20的表面后凝固。
然后，在持续进行搬运部15的冷却的状态下，把半导体晶片20搬运到成膜室11。
然后，向成膜室11内供给Ar气体作为溅射气体，开始Ti膜的成膜。在半导体晶片20的表面附着并凝固的水分在成膜室11内液化。在该状态下，Ti膜开始堆积，所以水分被适当地摄入Ti膜中。其结果，形成C轴取向强的Ti膜。并且，水分主要在Ti膜的成膜初期被消耗，所以在Ti膜的厚度方向的上侧的大部分中，几乎不会发生Ti的氧化。虽然在成膜室11内也有些许蒸发的水分，但这些水分几乎根本无助于Ti的氧化，而被Ti膜吸收。因此，水分几乎不会附着在成膜室11内的夹具上，可以防止因该附着而引起的异常放电。
在Ti膜的成膜后，和第1实施方式相同，通过进行Pt膜、PZT膜和IrOx膜的成膜等，完成铁电体存储器。
根据这种第2实施方式，在Ti膜的成膜过程中不从外部供给水分，而预先使水分附着在晶片20上，所以能够防止水分附着在成膜室11内的夹具上。其结果，可以防止异常放电。另外，可以防止水分的长期滞留，所以能够避免不必要的氧化，能够防止Ti膜的剥离和阻抗的上升。并且，由于水分在Ti膜的成膜初期被摄入，所以能够获得较强的C轴取向。
这里，对于实际使用第2实施方式涉及的半导体装置的制造设备所成膜的Ti膜的特性，与比较例比较的同时进行说明。
首先，作为试料，准备表面形成有厚度为100nm的SiO2膜的半导体晶片。然后，在该半导体晶片上成膜了厚度为100nm的Ti膜。此时，在实施例中，使用第2实施方式涉及的半导体装置的制造设备，使水分附着在半导体晶片上，但在比较例中，不附着水分，而在装载闭锁室内进行了150℃的烘干。
水分的附着是在下述条件下进行的。首先，以20mm3/分的流量向水槽21供给水。然后，以60sccm的流量使N2气体流过配管24。把搬运部15的温度保持在-4℃。在这种条件下，开始水分的附着，在设于装载闭锁室12的观察窗(未图示)发生模糊的时间点，停止N2气体和水蒸气的供给。然后，在持续进行搬运部15的冷却的状态下，向成膜室11搬运试料(半导体晶片20)。
在Ti膜的成膜后，通过X线衍射(XRD)分析了Ti膜中的结晶的取向性。表2表示其结果。如表2所示，根据实施例，可以获得强的C轴取向。
另外，作为汽化器13中的载流气体，也可以使用He气体、Ne气体或Ar气体等其他惰性气体来代替N2气体。
并且，作为冷却器14中的制冷剂，也可以使用替代氟里昂气体或He气体等来代替液体氮。
另外，在第1和第2实施方式中，形成Ti膜作为金属膜，除此之外也可以形成Ta、W和Mo等高熔点金属膜。
并且，也可以将第1实施方式和第2实施方式组合。即，可以在图1所示的成膜室1的前级，设置图2所示的装载闭锁室12等。
另外，要制造的半导体装置不限于铁电体存储器，例如，可以把本发明应用于具有Al布线的其他半导体装置的制造。
如上所述，根据本发明，由于在成膜金属膜时供给水分，所以能够获得强的C轴取向。并且，对于水分的供给，可以一面控制其供给量一面仅在成膜的初期阶段进行供给，所以能够抑制取向性的偏差，并且可以抑制超过必要程度的供给所造成的异常放电的产生。
表1
| 时间 | 纯Ar气体用MFC7 | 添加H2O的Ar气体用MFC8 | |
| 气体稳定化 | 3秒 | 打开 | 打开 |
| Ti膜的成膜 | 5秒 | 打开 | 打开 |
| 5～10秒 | 关闭 | 关闭 |
表2
| 峰值强度(cps) | 半宽度(degree) | |||
| C轴取向Ti<002> | 斜方取向Ti<101> | C轴取向Ti<002> | 斜方取向Ti<101> | |
| 实施例 | 708 | 1502 | 0.49 | 0.60 |
| 比较例 | 1485 | 506 | 0.53 | 0.43 |
Claims (18)
1.一种半导体装置的制造设备，所述制造设备具有：
成膜室；
金属膜形成单元，其在所述成膜室内、在半导体基板的上方形成金属膜，所述金属膜为铁电体电容器的下部电极膜；和
水分供给单元，其在使用所述金属膜形成单元形成金属膜时，该水分供给单元仅在金属膜形成的初期阶段使所述金属膜中含有水分，
所述制造设备特征在于，所述制造设备还具有：
与所述成膜室连接的前处理室；和
放置所述半导体基板的载物台，
其中，所述水分供给单元具有：向所述前处理室内供给气体状或雾状H2O的成膜前水分供给单元；和把所述载物台的温度冷却到0℃以下的冷却单元。
2.根据权利要求1所述的半导体装置的制造设备，
所述金属膜形成单元具有：
设置在所述成膜室内的溅射靶；和
向所述成膜室内供给溅射气体的溅射气体供给单元。
3.根据权利要求2所述的半导体装置的制造设备，
所述水分供给单元具有向所述溅射气体供给单元添加H2O气体的第1添加单元。
4.根据权利要求3所述的半导体装置的制造设备，所述制造设备还具有：
测定所述室内的水分的含有量的测定单元；
添加量控制单元，根据利用所述测定单元测定的含有量，控制所述第1添加单元的水分添加量。
5.根据权利要求4所述的半导体装置的制造设备，
所述测定单元具有四极质量分析装置。
6.根据权利要求4所述的半导体装置的制造设备，
所述添加量控制单元具有质量流控制器。
7.根据权利要求6所述的半导体装置的制造设备，
所述质量流控制器被设在向所述室供给H2O气体和Ar气体的混合气体的配管上。
8.根据权利要求2所述的半导体装置的制造设备，
所述溅射靶由高熔点金属形成。
9.根据权利要求1所述的半导体装置的制造设备，
所述成膜前水分供给单元具有：
配管，其用于流过惰性气体，并连接到所述前处理室；和
向所述配管中添加H2O气体的第2添加单元。
10.根据权利要求1所述的半导体装置的制造设备，
所述冷却单元使制冷剂在所述载物台的内部流通。
11.根据权利要求1所述的半导体装置的制造设备，
具有把所述成膜室和所述前处理室内的压力控制在10-3Pa以下的真空单元。
12.根据权利要求1所述的半导体装置的制造设备，
所述载物台具有宽度比所述半导体基板小的搬运滚轴。
13.一种半导体装置的制造方法，所述制造方法具有：
在前处理室内，在把半导体基板的温度保持在0℃以下的同时，向所述半导体基板的表面供给气体或雾状的H2O的工序；
把所述半导体基板搬运到成膜室中的工序；
在所述成膜室内，在所述半导体基板的上方形成金属膜的工序，其中所述金属膜为铁电体电容器的下部电极膜。
14.根据权利要求13所述的半导体装置的制造方法，其中
利用溅射法执行形成所述金属膜的工序。
15.根据权利要求14所述的半导体装置的制造方法，
其中，使用由高熔点金属形成的靶来作为溅射靶。
16.根据权利要求13所述的半导体装置的制造方法，
在搬运所述半导体基板的工序中，使用宽度比所述半导体基板小的搬运滚轴。
17.根据权利要求13所述的半导体装置的制造方法，其中，
搬运所述半导体基板的工序具有把所述前处理室和所述成膜室内的压力控制在10-3Pa以下的工序。
18.根据权利要求13所述的半导体装置的制造方法，其中，
向所述半导体基板的表面供给H2O的工序，具有向连接到所述前处理室的配管的内部添加H2O气体并同时流过惰性气体的工序。
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