JP2005120410A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタリング装置におけるクランプリングの押さえつけによるウエハのチッピングを防ぐことのできる技術を提供する。
【解決手段】ヒートステージ４上にその主面を上向きにしてウエハ８を配置し、ウエハ８の外周領域をクランプリング２により押圧して、ウエハ８をヒートステージ４上に固定する際、ウエハ８のＯＦ側の外周領域がヒートステージ４上に載っているため、クランプリング２がウエハ８を押圧するとウエハ８のＯＦ側の外周領域にクランプリング２の荷重が集中するが、クランプリング２をチタン材により形成し、軽量化を図ることによってウエハ８のＯＦ側の外周領域に集中する荷重を緩和して、ウエハ８のチッピングの発生を防ぐ。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に、物理的成膜手段、例えばスパッタリング法によって半導体ウエハ上に薄膜を成膜する工程に適用して有効な技術に関するものである。

真空中にＡｒ（アルゴン）などの放電用ガスを注入し、電極間に電圧を印加するとグロー放電が起こる。この時、プラズマ中の正イオンが陰極上のターゲット表面に衝突し、ターゲット原子をはじき出す。スパッタリング装置は、この現象を利用して半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）上に薄膜を成膜するものである。スパッタリング装置には、成膜する薄膜の種類および薄膜が形成されるウエハ表面の形状などに合わせた種々の方式のものが存在する（例えば、非特許文献１参照）。
西原晋治、「スパッタリング装置」、超ＬＳＩ製造・試験装置ガイドブック１９９９年版、株式会社工業調査会、１９９８年１１月２５日、ｐ．５０−５７

スパッタリング装置は、例えばウエハを加熱するヒートステージ上にウエハを載置し、ウエハの外周部を上部からクランプリングで押さえつけることによってウエハを固定し、ウエハ裏面へのアルゴンガスの吹き出しによるウエハのずれを防ぎつつ、ウエハ上へ薄膜を成膜する。

本発明者らは、上記スパッタリング装置を用いた成膜技術について検討している。その中で、本発明者らは、以下のような課題を見出した。

すなわち、本発明者らが検討したスパッタリング装置においては、クランプリングがステンレス鋼から形成されている。ステンレス鋼は相対的に重い金属であるため、ステンレス鋼から形成されたクランプリングがウエハを押さえつけることにより、ウエハに割れまたは欠け（以下、チッピングと記す）が発生し易くなる課題が存在する。

また、ウエハ上において、上記クランプリングで押さえつけられた領域には、薄膜は成膜されないことになる。この薄膜が成膜されない領域からは、チップを取得することができないので、１枚のウエハからのチップ取得数を増加することが困難になってしまう課題が存在する。

本発明の目的は、スパッタリング装置におけるクランプリングの押さえつけによるウエハのチッピングを防ぐことのできる技術を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、１枚のウエハから取得できるチップ数を増加できる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明による半導体装置の製造方法は、（ａ）スパッタリング装置内に設置されたステージ上に主面を上向きにしてウエハを配置する工程と、（ｂ）平面形状が環状のクランプリングによりステージ上に配置されたウエハの外周領域を押圧し、ウエハをステージに固定する工程と、（ｃ）（ｂ）工程後、ウエハの主面に薄膜を成膜する工程とを有し、クランプリングをチタン（Ｔｉ）を主成分とする材料で構成するものである。

また、本発明による半導体装置の製造方法は、（ａ）スパッタリング装置内に設置されたステージ上に主面を上向きにしてウエハを配置する工程と、（ｂ）平面形状が環状のクランプリングによりステージ上に配置されたウエハの外周領域を押圧し、ウエハをステージに固定する工程と、（ｃ）（ｂ）工程後、ウエハの主面に薄膜を成膜する工程とを有し、クランプリングのウエハと対向しない上面に凹部を形成するものである。

また、本発明による半導体装置の製造方法は、（ａ）スパッタリング装置内に設置されたステージ上に主面を上向きにしてウエハを配置する工程と、（ｂ）平面形状が環状のクランプリングによりステージ上に配置されたウエハの外周領域を押圧し、ウエハをステージに固定する工程と、（ｃ）（ｂ）工程後、ウエハの主面に薄膜を成膜する工程とを有し、ウエハの外周領域をウエハの外周端部から３.５ｍｍ以下の距離の範囲とするものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

クランプリングを相対的に軽い金属であるチタンを主成分とする材質から形成してクランプリングの軽量化を図る、あるいはクランプリングに凹部を形成してクランプリングの軽量化を図ることにより、クランプリングがウエハを押圧した際に、ウエハに集中する荷重を緩和できて、ウエハのチッピングを防ぐことができる。またクランプリングに押圧されるウエハの外周領域を、ウエハの外周端部から３.５ｍｍ以下の距離の範囲とすることで、１枚のウエハから取得できるチップ数を増やすことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１である半導体装置の製造方法で使用するスパッタリング装置の構成および一連の動作を図１〜図５を用いて説明する。図１および図２はスパッタリング装置の構成を示す概略図、図３はクランプリングの上面図、図４は図３のＡ−Ａ´線で切断したウエハおよびヒートステージを含む要部断面図、図５は図３のＢ−Ｂ´線で切断したウエハおよびヒートステージを含む要部断面図である。

図１に示すように、本実施の形態１におけるスパッタリング装置は１枚１枚のウエハに対して処理を行う枚葉式であり、そのチャンバ１内には、主にクランプリング（固定手段）２、シールド３、ヒートステージ４、昇降機構５、ホルダ６、ターゲット７が設置されている。

まず、ウエハ（例えば直径６インチ）８がスパッタリング装置に搬送されると、ウエハ８は、薄膜が形成される主面を上向きにしてチャンバ１内のホルダ６上に置かれる。

次に、図２に示すように、ヒートステージ４を昇降機構５により上昇させて、ヒートステージ４上にウエハ８を置き、さらにウエハ８がクランプリング２とヒートステージ４とで挟まれるまでヒートステージ４を上昇させる。

ヒートステージ４は、保持台の一例であり、上部にウエハ８を置くとともに、ウエハ８の温度を調節できるように構成されている。またヒートステージ４はウエハ８よりも小さく設計されている。

昇降機構５は、ヒートステージ４の上下動を可能とするように構成されており、ヒートステージ４を上昇させることにより、クランプリング２とヒートステージ４とでウエハ８を固定するようにしている。

クランプリング２は、図３〜図５に示すように、その平面形状が環状をしており、ヒートステージ４上に配置されたウエハ８の全外周領域を押圧して、ウエハ８をヒートステージ４に固定している。クランプリング２は、相対的に軽いチタンを主成分とする材質（以降、単にチタン材と記す）から形成される。材質をチタン材とすることにより、材質をステンレス鋼材（以下、ＳＵＳ材と記す）とした場合よりもクランプリング２の軽量化を図ることができる。例えばＳＵＳ材からなる６インチウエハ用のクランプリングの重さは１７３２ｇであるが、チタン材からなる６インチウエハ用のクランプリング２の重さは１０８８ｇとなり、約３／５程度軽くすることができる。

クランプリング２の材質をチタン材とし、その軽量化を図ることにより、ウエハ８の外周領域、特にヒートステージ４上に載っているウエハ８のＯＦ（Orientation Flat）側の外周領域におけるチッピングを防ぐことができる。これは以下のように説明することができる。図４に示すように、ヒートステージ４はウエハ８よりも小さく、ウエハ８のＯＦ側を除いた外周領域はヒートステージ４からはみ出している。このヒートステージ４からはみ出したウエハ８の外周領域ではクランプリング２の荷重の集中が起きない。しかし、図５に示すように、ウエハ８のＯＦ側の外周領域は、ヒートステージ４上に載っているため、クランプリング２がウエハ８を押圧すると、ウエハ８のＯＦ側にクランプリング２の荷重が集中してしまう。このため、相対的に重いＳＵＳ材からなるクランプリングでは、ウエハ８のＯＦ側の外周領域に荷重が集中してウエハ８にチッピングが発生する。しかし、クランプリング２を相対的に軽いチタン材から形成し、軽量化を図ることにより、ウエハ８のＯＦ側の外周領域に集中する荷重を緩和することができる。これによって、ウエハ８のＯＦ側の外周領域におけるチッピングを防ぐことができる。

また、クランプリング２は洗浄され、付着した膜を除去することにより再利用されるが、チタン材は洗浄薬品に対してＳＵＳ材とほぼ同じ耐性があることから、クランプリング２の材質として好ましい。なおチタン材は、ＳＵＳ材よりも高価ではあるが、ＳＵＳ材に比べて加工が容易であることから加工費を安価にすることができる。

さらに、クランプリング２は、ウエハ８の外周領域を押圧する面積を相対的に小さくしている。本発明者らが検討したクランプリングでは、クランプリングによって押圧されるウエハ８の外周領域をウエハ８の外周端部から４ｍｍの距離の範囲としていたが、本実施の形態１ではこれを３.５ｍｍ以下の距離の範囲とする。例えば図４に示すように、６インチ（直径が１５２.４ｍｍ）のウエハ８を用いた場合、クランプリング２の内径を１４６.２ｍｍとする。これにより、ウエハ８の外周端部からクランプリング２の内径までの距離を３.１ｍｍとした。このようにクランプリング２の内径を広げて、クランプリング２で押圧されるウエハ８の外周領域をウエハ８の外周端部から３.５ｍｍ以下の距離の範囲とすることにより、ウエハ８に形成されるチップの取得数を増やすことができる。例えば、６インチのウエハにおいて、ウランプリング２で押圧されるウエハ８の外周領域の範囲をウエハ８の外周端部から３.５ｍｍとすると、それをウエハ８の外周端部から４ｍｍとした場合と比べて、有効チップ領域を約６パーセント程度増加させることができた。

この状態でヒートステージ４からアルゴンガスを吹き出し、ウエハ８とターゲット７との間にアルゴンガスを充填して、ターゲット７に負電圧を印加する。ターゲット７は、ウエハ８上に堆積させる薄膜の材料より構成されている。すると、ウエハ８とターゲット７との間に電界が発生し、この発生した電界により、ウエハ８とターゲット７との間にあるアルゴンガスが電離する。そして、電離したアルゴンガス（正電荷を帯びている）がターゲット７に衝突し、この衝突によりターゲット７のターゲット材料がはじき出されて、ウエハ８上に薄膜が堆積する。

次に、本実施の形態１における膜形成装置（スパッタリング装置）を使用して半導体装置を製造する工程と図６〜図９を用いて説明する。

まず、ウエハ８上にイオン注入および熱処理をすることによりｐウェル１１、ｎウェル１２を形成する。そして、選択酸化法（ＬＯＣＯＳ法）を使用して素子分離層１３を形成した後、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を使用してシリコン酸化膜を堆積させてゲート絶縁膜１４を形成する。次に、ＣＶＤ法を使用してｎ型ポリシリコン膜１５を堆積した後にタングステンシリサイド（ＷＳｉ_x）膜１６を堆積する。そして、シリコン酸化膜１７を堆積させた後、エッチングすることによりｎＭＯＳ素子形成領域とｐＭＯＳ素子形成領域にそれぞれｎ型ポリシリコン膜１５とタングステンシリサイド膜１６とからなるゲート電極を形成する。

次に、ｎＭＯＳ素子形成領域のソース形成領域とドレイン形成領域にｎ型不純物をイオン注入法により注入して、それぞれ低濃度ｎ型不純物拡散層１８ａを形成する。次に、ｐＭＯＳ素子形成領域のソース形成領域とドレイン形成領域にｐ型不純物をイオン注入法により注入して、それぞれ低濃度ｐ型不純物拡散層１９ａを形成する。

次に、ゲート電極上にＣＶＤ法を使用して、絶縁膜を形成した後、異方性エッチングすることによりサイドスペーサ２０を形成する。その後、ｎＭＯＳ素子形成領域のソース形成領域とドレイン形成領域にイオン注入法により高濃度ｎ型不純物拡散層１８ｂを形成する。同様にして、ｐＭＯＳ素子形成領域のソース形成領域とドレイン形成領域にイオン注入法により高濃度ｐ型不純物拡散層１９ｂを形成する。このようにして、ＣＭＯＳ（Complementary Metal oxide semiconductor）素子が形成される。

次に、ＣＶＤ法を使用して、絶縁膜２１を形成した後、エッチングすることにより、コンタクトホール２２を形成する。そして、スパッタリング法を使用して、バリア層となるチタン膜２３ａを堆積した後、ＣＶＤ法を使用してタングステン（Ｗ）膜２３ｂをコンタクトホール２２上に堆積する。次に、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を使用して表面を研磨して平坦化する。このようにして、図６に示すトランジスタ素子およびコンタクトプラグをウエハ８上に形成できる。

次に、図７に示すように、前述したスパッタリング装置を用いて、トランジスタ素子およびコンタクトプラグが形成されたウエハ８上にチタン膜２４ａ、アルミニウム（Ａｌ）膜２４ｂ、チタン膜２４ｃを形成する。前述したように、ウエハ８はチャンバ１内に設置されたクランプリング２とヒートステージ４とで固定されるが、チタン材からなるクランプリング２を用いていることから、ヒートステージ４上に載っているウエハ８のＯＦ側の外周領域における荷重の集中が緩和されて、ウエハ８のチッピングを防ぐことができる。またクランプリング２の内径を広げて、クランプリング２が押圧するウエハ８の外周領域を、ウエハ８の外周端部から３.５ｍｍ以下の距離の範囲とすることにより、ウエハ８に形成されるチップの取得数を増やすことができる。

続いて、図８に示すように、レジスト膜２５を塗布した後、露光現像を行いパターニングする。パターニングは、第１層配線を形成する部分のみレジスト膜２５が残るように行う。

次に、図９に示すように、エッチングにより所定領域のチタン膜２４ａ、アルミニウム膜２４ｂ、チタン膜２４ｃを除去する。そして、レジスト膜２５を除去して第１層配線を形成する。

なお、以上述べたように本実施の形態１では、スパッタリング法を使用した成膜装置を例として説明したが、スパッタリング法以外の物理的成膜手段を使用した成膜装置であって、クランプリング２と保持台（ヒートステージ４）とによってウエハ８を固定した後、ウエハ８上に成膜する成膜装置に適用してもよい。

このように、本実施の形態１によれば、相対的に軽いチタン材によりクランプリング２を形成することから、クランプリング２の軽量化を図ることができるので、クランプリング２とヒートステージ４とでウエハ８を固定した際、ヒートステージ４上に載っているウエハ８のＯＦ側の外周領域に集中する荷重を緩和できて、ウエハ８のチッピングを防ぐことができる。またクランプリング２が押圧するウエハ８の外周領域を、ウエハ８の外周端部から３.５ｍｍ以下の距離の範囲とすることで、１枚のウエハ８から取得できるチップ数を増やすことができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２であるクランプリングの上面図を図１０に示す。

本実施の形態２によるクランプリング９は、前記実施の形態１の図３に示したクランプリング２とほぼ同じ形状であり、クランプリング９によって押圧されるウエハ８の外周領域をウエハ８の外周端部から３.５ｍｍ以下の距離の範囲としている。

このクランプリング９には、軽量化を図るために凹部１０が形成されている。クランプリング９にはウエハ８と対向する下面と、これとは反対側の上面とがあるが、凹部１０はウエハと対向しない上面に形成されている。この凹部１０は、例えばザグリ加工により施すことができる。

クランプリング９の軽量化を図るためには、平面環状のクランプリング９の全周に凹部１０を設けることが望ましい。しかし、取り付け用のネジ穴があるため、凹部１０をクランプリング９の全周に設けることができない。またネジ穴を挟んで凹部１０を２箇所に設けた場合は、クランプリング９の左右のバランスが悪くなるという問題が生ずる。そこで、本実施の形態２では、凹部１０をクランプリング９の上面の４箇所に設けることとした。

クランプリング９の材質としては、ＳＵＳ材またはチタン材が用いられる。例えば凹部１０を形成しないＳＵＳ材の６インチウエハ対応のクランプリング２の重さは１７３２ｇであるが、凹部１０を形成したＳＵＳ材の６インチウエハ対応のクランプリング９の重さは１６９６ｇとなる。また例えば凹部１０を形成しないチタン材の６インチウエハ対応のクランプリング２の重さは１０８８ｇであるが、凹部１０を形成したチタン材の６インチウエハ対応のクランプリング９の重さは９７４ｇとなる。従って、軽量化のためにはチタン材が好ましい。

このように、本実施の形態２によれば、クランプリング９の上面に凹部１０を形成することにより、クランプリング９の軽量化を図ることができるので、クランプリング９とヒートステージ４とでウエハ８を固定した際、ヒートステージ４上に載っているウエハ８のＯＦ側の外周領域に集中する荷重を緩和できて、ウエハ８のチッピングを防ぐことができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施の形態では、ウエハの全外周領域を押圧するクランプリングについて説明したが、ウエハの外周領域を数ヶ所、例えば４箇所を押圧するクランプ部を備えたクランプリングを用いてもよい。

また、前記実施の形態では、ウエハのＯＦ側の外周領域がヒートステージ上に載っている場合について説明したが、ウエハの全外周領域またはＯＦ側以外の一部の外周領域がヒートステージ上に載った場合についても適用でき、同様の効果が得られる。

また、前記実施の形態で使用したウエハは、６インチであったが、１２インチなど様々な大きさのウエハであってもよい。

本発明の半導体装置の製造方法は、物理的成膜手段を使用した枚葉式の成膜装置であって、ウエハを固定した後、ウエハ上に薄膜を成膜する成膜装置に適用することができる。

本発明の実施の形態１である半導体装置の製造方法で使用するスパッタリング装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置の製造方法で使用するスパッタリング装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１であるクランプリングの上面図である。 本発明の実施の形態１である図３のＡ−Ａ´線で切断したウエハおよびヒートステージを含む要部断面図である。 本発明の実施の形態１である図３のＢ−Ｂ´線で切断したウエハおよびヒートステージを含む要部断面図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置の製造工程の一例を示した断面図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置の製造工程の一例を示した断面図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置の製造工程の一例を示した断面図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置の製造工程の一例を示した断面図である。 本発明の実施の形態２であるクランプリングの上面図である。

符号の説明

１ チャンバ
２ クランプリング
３ シールド
４ ヒートステージ
５ 昇降機構
６ ホルダ
７ ターゲット
８ 半導体ウエハ
９ クランプリング
１０ 凹部
１１ ｐウェル
１２ ｎウェル
１３ 素子分離層
１４ ゲート絶縁膜
１５ ｎ型ポリシリコン膜
１６ タングステンシリサイド膜
１７ シリコン酸化膜
１８ａ 低濃度ｎ型不純物拡散層
１８ｂ 高濃度ｎ型不純物拡散層
１９ａ 低濃度ｐ型不純物拡散層
１９ｂ 高濃度ｐ型不純物拡散層
２０ サイドスペーサ
２１ 絶縁膜
２２ コンタクトホール
２３ａ チタン膜
２３ｂ タングステン膜
２４ａ チタン膜
２４ｂ アルミニウム膜
２４ｃ チタン膜
２５ レジスト膜

Claims (5)

1. 半導体ウエハの主面に物理的成膜手段によって薄膜を成膜する第１の工程を含む半導体装置の製造方法であって、
   前記第１の工程は、
   （ａ）成膜装置内に設置されたステージ上に前記主面を上向きにして前記半導体ウエハを配置する工程、
   （ｂ）平面環状の固定手段により前記ステージ上に配置された前記半導体ウエハの外周領域を押圧し、前記半導体ウエハを前記ステージに固定する工程、
   （ｃ）前記（ｂ）工程後、前記半導体ウエハの前記主面に前記薄膜を成膜する工程、
   を含み、
   前記固定手段はチタンを主成分とする材料で構成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 半導体ウエハの主面に物理的成膜手段によって薄膜を成膜する第１の工程を含む半導体装置の製造方法であって、
   前記第１の工程は、
   （ａ）成膜装置内に設置されたステージ上に前記主面を上向きにして前記半導体ウエハを配置する工程、
   （ｂ）平面環状の固定手段により前記ステージ上に配置された前記半導体ウエハの外周領域を押圧し、前記半導体ウエハを前記ステージに固定する工程、
   （ｃ）前記（ｂ）工程後、前記半導体ウエハの前記主面に前記薄膜を成膜する工程、
   を含み、
   前記固定手段はチタンを主成分とする材料で構成され、
   前記半導体ウエハの前記外周領域は、前記半導体ウエハの外周端部から３.５ｍｍ以下の距離の範囲であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 半導体ウエハの主面に物理的成膜手段によって薄膜を成膜する第１の工程を含む半導体装置の製造方法であって、
   前記第１の工程は、
   （ａ）成膜装置内に設置されたステージ上に前記主面を上向きにして前記半導体ウエハを配置する工程、
   （ｂ）平面環状の固定手段により前記ステージ上に配置された前記半導体ウエハの外周領域を押圧し、前記半導体ウエハを前記ステージに固定する工程、
   （ｃ）前記（ｂ）工程後、前記半導体ウエハの前記主面に前記薄膜を成膜する工程、
   を含み、
   前記固定手段は、前記半導体ウエハと対向する下面と、前記下面とは反対側の上面とを有し、
   前記上面には第１の凹部が形成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 半導体ウエハの主面に物理的成膜手段によって薄膜を成膜する第１の工程を含む半導体装置の製造方法であって、
   前記第１の工程は、
   （ａ）成膜装置内に設置されたステージ上に前記主面を上向きにして前記半導体ウエハを配置する工程、
   （ｂ）チタンを主成分とする材料で構成された平面環状の固定手段により前記ステージ上に配置された前記半導体ウエハの外周領域を押圧し、前記半導体ウエハを前記ステージに固定する工程、
   （ｃ）前記（ｂ）工程後、前記半導体ウエハの前記主面に前記薄膜を成膜する工程、
   を含み、
   前記固定手段は、前記半導体ウエハと対向する下面と、前記下面とは反対側の上面とを有し、
   前記上面には第１の凹部が形成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 半導体ウエハの主面に物理的成膜手段によって薄膜を成膜する第１の工程を含む半導体装置の製造方法であって、
   前記第１の工程は、
   （ａ）成膜装置内に設置されたステージ上に前記主面を上向きにして前記半導体ウエハを配置する工程、
   （ｂ）平面環状の固定手段により前記ステージ上に配置された前記半導体ウエハの外周領域を押圧し、前記半導体ウエハを前記ステージに固定する工程、
   （ｃ）前記（ｂ）工程後、前記半導体ウエハの前記主面に前記薄膜を成膜する工程、
   を含み、
   前記固定手段は、前記半導体ウエハと対向する下面と、前記下面とは反対側の上面とを有し、
   前記上面には第１の凹部が形成され、
   前記半導体ウエハの前記外周領域は、前記半導体ウエハの外周端部から３.５ｍｍ以下の距離の範囲であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
   
   

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