JP2014062331A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コリメーター交換に伴うメンテナンス時間減少や生産効率の向上が可能な機能を備えたスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】スパッタリング装置において、スパッタチャンバーと搬送チャンバーにおのおのコリメーターを設置する場所を備えてチャンバー間でコリメーターを移動可能とする。コリメーターの移動には試料搬送に用いる搬送機器を利用する。コリメーション方式と通常スパッタリング方式の成膜が単一チャンバーでも共用可能なスパッタリング装置とすることでメンテナンスの減少や生産性向上が可能となる。またシャッター板の設置も可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、スパッタリング装置を用いた半導体素子の製造方法に関する。特に、成膜ターゲット材と成膜対象試料との間に、スパッタチャンバーと隣接搬送チャンバーの間で移動可能なコリメーターを備えたスパッタリング装置を用いた半導体素子の製造方法に関する。

現在、薄膜形成技術であるスパッタリング法の一つとして、ターゲットと試料間にコリメーターを設けて成膜するコリメーションスパッタリング方式があり、例えば半導体素子の製造装置における半導体素子の配線形成工程で多く採用されている。この方式の利点は、半導体製造工程におけるプロセスルールの微細化に伴い、通常のスパッタリング方式では成膜困難な半導体基板に形成された高アスペクト比を有する孔径の寸法ルールが設定されても孔の底部にまでスパッタ粒子が届き、孔の底部であっても平坦でかつ均一な薄膜を形成することができることである。

しかしながら、コリメーションスパッタリング方式には以下の二つの問題点が一般に含まれる。一つは、コリメーター交換に伴うスパッタリング装置のメンテナンスの負荷と装置停止時間が大きくなることである。コリメーターを備えたスパッタリング装置は通常コリメーターが固定されており、コリメーターの使用が不要であるダミースパッタ時でも常にコリメーターに成膜されるため、コリメーターの開孔部からの発塵の懸念や孔の目詰まりによりコリメーター交換の頻度が多くなってしまう。その結果、コリメーター交換のために装置の停止時間が増加して装置稼働率が低下するという問題がある。もう一つの問題は、常時コリメーターがスパッタチャンバー内に固定されているので、通常スパッタの仕様としては使用できないためコリメーション専用チャンバーを別途設けなければならず、イニシャルコストやランニングコストがかかり、かつフットプリントや生産性・スループットの面からも効率が悪いという問題がある。

そこで、このような問題を解決する方法として、コリメーターを可動式にしてコリメーターを収納するための退避スペースをスパッタチャンバー内に設けることでコリメーターの収納と移動が可能になり、コリメーション方式と通常スパッタ方式が共用できるコリメーターの寿命が延長可能な方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、スパッタリング装置に集束装置を設け、集束装置の集束板に蒸着される金属膜を取り除き金属薄膜層がウェーハに蒸着する速度が低下することを防止することができ、集束装置の寿命を延長させる装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、別の方法として、スパッタチャンバーの隣接にコリメーターのクリーニングを行うための専用クリーニングチャンバーを新たに設けることで、コリメーターの交換に伴う装置の停止時間の低減が可能なスパッタリング装置を提供する方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平８−３１６１４７号公報 特開平７−２１１６４０号公報 特開平６−２８０００７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、コリメーターを可動式にすることでコリメーション方式と通常スパッタ方式を共用できるものの、通常スパッタリングの成膜時において、スパッタチャンバー室内にコリメーターを収納するための退避スペースを設ける必要があり、チャンバー室の容量が大きくなってしまいフットプリントが大きくなる問題点がある。また、定期的に行うチャンバークリーニングにおいて、退避スペース部位のクリーニング不備による汚染懸念やコリメーター交換にあたりスパッタチャンバーを大気解放する必要があり、コリメーター以外のパーツ交換も要するなどメンテナンス面の負荷がかかる。また可動式コリメーターを取り付けて使用する際、熱や成膜によってコリメーターが劣化するため、コリメーターを可動させる駆動部位や搬送アームの歪みが生じることにより、コリメーターが試料やターゲットに対して平行位置にならずにコリメーターを設置したときに位置ずれが発生する不具合が考えられる。

そこで、本発明においては、半導体素子の製造方法として、
試料投入チャンバーと、前記試料投入チャンバーとの間に第１の搬入搬出口を有して隣接する搬送チャンバーと、前記搬送チャンバーとの間に第２の搬入搬出口を有して隣接するコリメーションスパッタリング可能なスパッタチャンバーとを備え、
前記スパッタチャンバーは、試料を載置するための試料ホルダーと、前記試料ホルダーと対向するターゲットと、前記試料ホルダーと前記ターゲットの間に配置された着脱可能なコリメーターと、前記コリメーターの外周部を支持する第１のコリメーター支持具とを有し、
前記搬送チャンバーは、搬入機器と、前記コリメーターを収納する第２のコリメーター支持具を有し、
前記第１のコリメーター支持具と前記第２のコリメーター支持具の間を前記コリメーターが前記搬送機器によって移動できるスパッタリング装置を用いて、前記ターゲットの構成材からなる薄膜をコリメーション方式あるいは通常スパッタリング方式のいずれか選択された方式により半導体素子上に形成する成膜工程を有する半導体素子の製造方法とする。

本発明によれば、チャンバー間で移動可能なコリメーターを設けることでコリメーション方式と通常スパッタリング方式の成膜が単一チャンバーで共用可能なスパッタリング装置の提供が可能になり、コリメーターと同様にシャッター板も設置可能なため、コリメーターやシャッター板の交換に伴うスパッタリング装置のメンテナンス停止時間減少による装置稼動率の改善ができる。

本発明におけるスパッタリング装置のスパッタチャンバー断面図である。 本発明におけるスパッタリング装置のスパッタチャンバー平面図である。 本発明におけるスパッタリング装置に設けられた可動式コリメーターと可動式シャッター板の図である。 本発明におけるスパッタリング装置の全体平面図である。 本発明におけるスパッタリング装置の搬送チャンバー断面図である。

本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

以下、本発明のスパッタリング装置に関する実施形態を図１から図５を用いて説明する。

図１は、本発明のスパッタリング装置に用いられるスパッタチャンバーの構造を示す断面図である。図1に示すスパッタチャンバー１の内部は高真空状態が可能な構成になっており、試料をセットするための試料ホルダー６と成膜材料であるターゲット４が平行かつ対向設置され、スパッタチャンバー１の内外で試料等の出し入れするための搬入・搬出口７を備えており、成膜時には試料５が搬入・搬出口７から試料ホルダー６に設置されてスパッタリングされる構造になっている。試料５の成膜条件として高アスペクト比の孔へのスパッタリングを要する場合、コリメーター２を搬送チャンバー内に設けたコリメーター収納位置から搬送機器１４を用いてスパッタチャンバー１内に移動させ、ターゲット４と試料５間に設けたコリメーター支持具３の上にコリメーター２を配置して、スパッタ粒子をコリメーター２に通すことで垂直な方向性の高いターゲット原子を試料５に成膜する構成となっている。

なお、コリメーター支持具３は、ターゲット４と試料５に対してコリメーター２が平行かつ対向するような位置に設けられ、スパッタチャンバー１の内壁にコリメーター支持具３を差し込むための取り付け口を設けることで、例えばネジ式やはめ込み式のような容易に取り付け・取り外し可能な構造になっている。ちなみにコリメーター２は試料５と同じ搬入搬出経路にするため、搬入・搬出口７の口径は、試料５のサイズ＋コリメーター２のサイズ＋搬送機器１４のサイズ＋搬送動作に要するスペースに対してマージンのある大きさを有するものとする。また、コリメーター支持具３は試料５の成膜の妨げにならないようなスパッタチャンバー１内の最外部に配置されている。

次いで、図２は本発明のスパッタリング装置において、コリメーター２を設置したときのスパッタチャンバー１の内部の平面図である。コリメーター２使用時には、搬送機器１４によって搬送チャンバー１１から搬入搬出口７を経由してコリメーター支持具３上に設置され、不要時には搬送機器１４を用いて搬送チャンバー１１に払い出される構造になっている。コリメーター２を用いて連続的に成膜する場合、コリメーター２とコリメーター支持具３が接する隙間にもスパッタ膜が堆積してコリメーター２と支持具３がくっつき、搬送機器１４による取り外しや移動が不可能になってしまうため、本発明ではこれを解消する手段としてコリメーター２の外周部には成膜を遮蔽するための開孔していないシャドー部２ａを有することで、コリメーター２とコリメーター支持具３の接触部分の隙間に成膜しないようにした。

図３には本発明のスパッタリング装置に設けられたコリメーター２とシャッター板１５を示してある。本発明のコリメーター２において、コリメーターシャドー部２ａは、図１や図２で示したコリメーター支持具３との接触面を遮蔽できるだけの面積を有しており、かつ試料５の成膜の妨げにならない領域でコリメーター開口部２ｂの周囲に形成されるものとする。また、コリメーター支持具３上には、コリメーター２のみでなくシャッター板１５も設置可能である。コリメーター２と同様に、シャッター板１５も搬送機器１４によって搬送チャンバー１１から搬入搬出口７を経由してコリメーター支持具３上に設置・撤去が可能な構成となっている。

図４は本発明におけるスパッタリング装置の全チャンバー構成を示した装置の平面図である。通常のスパッタリング装置では複数のスパッタチャンバー１を設けることが可能であり、試料投入チャンバー１２と各スパッタチャンバー１の間には、試料５を移動・搬送するための搬送チャンバー１１が備わっている。搬送チャンバー１１の下側面部の任意の場所にコリメーター２やシャッター板１５の保管場所１３を設けて、使用しない場合にはこの収納位置１３にコリメーター２やシャッター板１５を配置しておき、使用時には搬送機器１４によってスパッタチャンバー1内に移設される構成である。搬送機器１４は搬送回転機構１４ａと搬送支持アーム１４ｂ等を備えている。これらについては後で説明する。なお、コリメーター２やシャッター板１５にメンテナンスが必要な場合は、搬送チャンバー１１から搬入搬出口７を介して試料投入チャンバー１２に取り出し、スパッタリング装置の外でメンテナンスすることが可能である。

また、図５は本発明のスパッタリング装置における、コリメーター２とシャッター板の保管場所を備えた搬送チャンバー１１の断面図である。搬送チャンバー１１内のコリメーター２やシャッター板１５の収納位置は、スパッタチャンバー１の搬入搬出口７より下側面に配置され、スパッタチャンバー１の構造と同様、コリメーター２とシャッター板１５を保管しておくための支持具１３ａと１３ｂを設けて、コリメーター２とシャッター板１５は搬送機器１４によって支持具１３ａ、１３ｂの上に設置される構成である。なお、搬送チャンバーは、上述のコリメーター２、シャッター板１５、およびそれらの支持具１３ａ、１３ｂを必要に応じて複数収納・設置できる構造となっている。

また、搬送機器１４は、回転機構１４ａを有しているので３６０°回転移動可能であり、上下方向に伸縮動作が可能な搬送シャフト１４ｄとシャフト１４ｄと同じく水平方向に伸縮動作可能な搬送支持アーム１４ｂを有し、アーム先端には試料５やコリメーター２、シャッター板１５を載せるための搬送ホルダー機構１４ｃを有している。前記機構を備えることにより、例えばコリメーター２やシャッター板１５使用時には、搬送シャフト１４ｄの上下動作でコリメーター２やシャッター板１５の収納位置まで移動し、支持アーム１４ｂを伸縮させて搬送ホルダー１４ｃ上にコリメーター２やシャッター板１５を載せ、搬送シャフト１４ｄと回転機構１４ａでスパッタチャンバー1の搬入搬出口７の位置まで移動し、支持アーム１４ｂの伸縮動作でスパッタチャンバー1内の支持具３上に設置する動作を行う。ちなみに、試料５も同様に、試料投入チャンバー１２からスパッタチャンバー１への移動経路についても搬送機器１４を用いて移動可能である。また、搬送ホルダー１４ｃとコリメーターの接触面からの発塵の懸念がある場合は、搬送ホルダー１４ｃ形状は試料両端をはさみこむ形状にしてもよい。

以上説明したように、本発明では複数のスパッタチャンバー１においてコリメーターの共用を可能とすることで、単一チャンバーでコリメーションと通常スパッタリング方式の使い分けが可能であるスパッタリング装置を提供する。コリメーター２やシャッター板１５交換時にスパッタチャンバー1の大気開放が不要であることから、スパッタリング装置のメンテナンス時間軽減が図られることになる。

１ スパッタチャンバー
１ａ スパッタチャンバー内壁
２ コリメーター
２ａ コリメーターのシャドー部位
２ｂ コリメーター開孔部
３ コリメーター支持具
４ ターゲット
５ 試料
６ 試料ホルダー
７ 搬入・搬出口
１１ 搬送チャンバー
１２ 試料投入チャンバー
１３ コリメーター、シャッター板収納位置
１３ａ コリメーター収納位置のコリメーター支持具
１３ｂ シャッター板収納位置のシャッター支持具
１４ 搬送機器
１４ａ 搬送回転機構
１４ｂ 搬送支持アーム
１４ｃ 搬送ホルダー機構
１４ｄ 搬送シャフト
１５ シャッター板

Claims (3)

1. 試料投入チャンバーと、前記試料投入チャンバーとの間に第１の搬入搬出口を有して隣接する搬送チャンバーと、前記搬送チャンバーとの間に第２の搬入搬出口を有して隣接するコリメーションスパッタリング可能なスパッタチャンバーとを備え、
   前記スパッタチャンバーは、試料を載置するための試料ホルダーと、前記試料ホルダーと対向するターゲットと、前記試料ホルダーと前記ターゲットの間に配置された着脱可能なコリメーターと、前記コリメーターの外周部を支持する第１のコリメーター支持具とを有し、
   前記搬送チャンバーは、搬入機器と、前記コリメーターを収納する第２のコリメーター支持具を有し、
   前記第１のコリメーター支持具と前記第２のコリメーター支持具の間を前記コリメーターが前記搬送機器によって移動できるスパッタリング装置を用いて、前記ターゲットの構成材からなる薄膜をコリメーション方式あるいは通常スパッタリング方式のいずれか選択された方式により半導体素子上に形成する成膜工程を有する半導体素子の製造方法。
2. 前記成膜工程は、前記コリメーション方式が選択される場合、前記コリメーターが前記搬送機器により前記搬送チャンバーから前記第２の搬入搬出口を経由して前記第１のコリメーター支持具上に設置される工程を含んでいる請求項１記載の半導体素子の製造方法。
3. 前記成膜工程は、前記コリメーション方式が選択される場合、前記コリメーターの外周部を開孔のないシャドー部とすることで、連続して成膜を実施することが可能である請求項１記載の半導体素子の製造方法。

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