JP2022159671A - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハを効率よく冷却できる半導体製造装置および半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体製造装置１００は、内部にウエハ４が配置され、ウエハが配置された領域が冷却ガスの流路となる冷却ガス流路２０と、冷却ガス流路の外側に設けられたランプ２と、を備える。冷却ガス流路のうち、ウエハの上面と対向する部分と、ウエハの下面と対向する部分の少なくとも一方は、ランプの光を通す透光部材４１から形成される。透光部材は、ウエハに向かって突出する凸部４１ａを有する。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１には、予備真空室を備えた真空処理装置が開示されている。予備真空室を構成する筐体には、筐体に対して半導体ウエハを搬入または搬出する開口部が設けられる。筐体内にはウエハを保持するウエハ保持部が設けられている。そして、移動機構によりウエハ保持部を移動して、筐体の突出部とウエハ保持部とで区画された密閉空間を形成する。密閉空間にガスを導入することによりウエハが冷却され、加熱装置により密閉空間でウエハが加熱される。

特開平１１－２１４４７８号公報

特許文献１のようなデガスチャンバでは、成膜前のウエハをランプで加熱してデガスした上で、ガス導入により成膜温度まで冷却を行っている。この冷却速度は冷却ガス圧に依存する。冷却速度を速くするために冷却ガス圧を高めると、成膜チャンバ搬送までの真空引きに、さらなる時間を要するおそれがある。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたもので、ウエハを効率よく冷却できる半導体製造装置および半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。

本開示に係る半導体製造装置は、内部にウエハが配置され、前記ウエハが配置された領域が冷却ガスの流路となる冷却ガス流路と、前記冷却ガス流路の外側に設けられたランプと、を備え、前記冷却ガス流路のうち、前記ウエハの上面と対向する部分と、前記ウエハの下面と対向する部分の少なくとも一方は、前記ランプの光を通す透光部材から形成され、前記透光部材は、前記ウエハに向かって突出する凸部を有する。

本開示に係る半導体装置の製造方法は、ウエハの上面と対向する部分と前記ウエハの下面と対向する部分の少なくとも一方が、前記ウエハに向かって突出する凸部を有する透光部材から形成された冷却ガス流路の内部にウエハを配置し、前記透光部材を介して、前記冷却ガス流路の外側に設けられたランプで前記ウエハを加熱し、前記ウエハを加熱した後に、前記冷却ガス流路に冷却ガスを流して前記ウエハを冷却し、前記ウエハを冷却した後に、前記冷却ガス流路を真空引きする。

本開示に係る半導体製造装置および半導体装置の製造方法では、凸部によって、冷却ガス流をウエハに押し付けることができる。従って、ウエハを効率よく冷却できる。

実施の形態１に係る半導体製造装置の断面図である。 図１をＡ－Ａ直線で切断することで得られる断面図である。 実施の形態１に係る半導体製造装置と成膜チャンバを組み合わせた半導体製造システムを示す図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る半導体製造装置の断面図である。 図５をＢ－Ｂ直線で切断することで得られる断面図である。 実施の形態２の変形例に係る半導体製造装置の断面図である。

本実施の形態に係る半導体製造装置および半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。以下の説明では、「上」、「下」、「おもて」、「裏」、「左」、「右」、「側」などの特定の位置および方向を意味する用語が用いられる場合がある。これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられているものであり、実施される際の位置および方向を限定するものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体製造装置１００の断面図である。図２は、図１をＡ－Ａ直線で切断することで得られる断面図である。半導体製造装置１００は、デガスチャンバとも呼ばれる。半導体製造装置１００は筐体１を備える。筐体１の内部の天井部分には、ランプ２および反射材３が設けられている。ランプ２には例えばハロゲンランプのような赤外線ランプが用いられる。反射材３の表面は例えば金属でコーティングされている。反射材３は、ランプ２からの赤外線をウエハ４側に反射する凹面鏡である。反射材３は、ランプ２とともにウエハ４を加熱する。

ウエハ４の一方の面にはポリイミドが形成されている。本実施の形態では、ウエハ４の下面がポリイミド面である。ウエハ４の下面側には半導体装置のエミッタ電極が形成され、エミッタ電極上にポリイミドがある。このため、エミッタ電極側にポリイミド面が位置すると言い換えてもよい。なお、ポリイミド面はウエハ４の下面の全体に設けられてもよいし、ウエハ４の下面の一部にパターン形成して設けられてもよい。ウエハ４の下面の全体にポリイミド面がある場合は、ポリイミド面が表面保護を行う。例えば、ポリイミド面に対向する面であるウエハ４の上面を研削するウエハ研削工程などのウエハプロセス中において、ポリイミド面によってウエハ４の下面へのダメージを防止できる。なお、ウエハ４の下面の全体にあるポリイミド面は、ウエハ４の上面のウエハプロセス中又はウエハプロセスの最後において、ポリイミドの一部又は全体が有機溶剤等で除去されても良い。ウエハ４の下面の一部にポリイミド面がある場合は、ポリイミド面は、ウエハ４をチップに分割した後の半導体装置の最表面の保護膜となる。この場合、ポリイミド面は、チップのアセンブリ実装時のダメージからの保護および製品の温度変化に伴う応力からの保護を行う。

ウエハ４は、リング状の保持具５によって外周を保持される。これにより、ウエハ４は中空状態となっている。つまり、ウエハ４は保持具５によって保持された下面の外周部以外は、他の部材と接触していない。ウエハ４は、保持具５に保持された状態で搬送される。ゲートバルブ１８ａ、１８ｂを開閉することによって、筐体１の内部または外部へウエハ４を搬送できる。

筐体１の内部において、保持具５は昇降可能なステージ６に保持されている。ステージ６は、Ｏリングなどのシール部材９を介して、ウエハ４が配置された領域の気密性が確保されるようにフレーム７と接触する。また、フレーム７は、ウエハ４が配置された領域の気密性が確保されるように、筐体１に固定されている。ステージ６とフレーム７により、ウエハ４が配置された領域と、フレーム７より下の空間とが隔離される。

ウエハ４とランプ２との間には透光部材４１が設けられる。透光部材４１は、例えば円盤状であり、ランプ２の光に対して透明である。透光部材４１は、例えば石英などの材料から形成される。透光部材４１は、ウエハ４に向かって突出する凸部４１ａを有する。透光部材４１は、Ｏリングなどのシール部材１１ａ、１１ｂを介して、ウエハ４が配置された領域の気密性が確保されるようにフレーム８に取り付けられる。また、フレーム８はウエハ４が配置された領域の気密性が確保されるように筐体１に固定されている。透光部材４１とフレーム８により、ウエハ４が配置された領域と、フレーム８より上の空間とが隔離される。

本実施の形態では、ステージ６、フレーム７、８および透光部材４１は、冷却ガス流路２０を形成する。冷却ガス流路２０は、内部にウエハ４が配置され、ウエハ４が配置された領域が冷却ガスの流路となる。冷却ガス流路２０の内部で、保持具５は、ウエハ４と冷却ガス流路２０が離れた状態でウエハ４を保持する。

冷却ガス流路２０への冷却ガスの導入口１２と、冷却ガス流路２０からの冷却ガスの排気口１３は、筐体１に設けられる。導入口１２からはＮ２ガスが導入される。Ｎ２ガスの流量は、ＭＦＣ（マスフローコントローラー）１４によって制御される。排気口１３からはＮ２ガスが排出される。排気口１３には、圧力計１５、バタフライバルブ１６およびポンプ１７が接続される。圧力計１５、バタフライバルブ１６およびポンプ１７によって、半導体製造装置１００の圧力が制御される。

導入口１２とウエハ４と排気口１３は、同一直線状に並んでも良い。これにより、デガス時またはデガス後の冷却時に、ウエハ４の一端から他端まで一直線に、ウエハ面に対して平行なガス流を形成できる。従って、効率的にデガス及び冷却を行うことができ、生産性が向上できる。

図３は、実施の形態１に係る半導体製造装置１００と成膜チャンバ３０ａ、３０ｂ、３０ｃを組み合わせた半導体製造システム１５０を示す図である。半導体製造システム１５０には、ウエハ投入口５２に搬送フォーク５１が設けられる。搬送フォーク５１は、半導体製造装置１００にウエハ４を導入する。また、半導体製造システム１５０には、半導体製造装置１００から成膜チャンバ３０ａ、３０ｂ、３０ｃにウエハ４を搬送する搬送フォーク３１が設けられる。成膜チャンバ３０ａ、３０ｂ、３０ｃでは、例えばスパッタ等により成膜が行われる。

図４は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。ここでは、ステップＳ１に示される半導体製造装置１００へのウエハ導入から、ステップＳ５に示される成膜室への搬送までの工程を説明する。ステップＳ１では、冷却ガス流路２０の内部にウエハ４を配置する。

ステップＳ２に示されるデガス工程では、透光部材４１を介して、ランプ２でウエハ４を加熱する。つまり、ランプ２をオンにしてウエハ４に対して赤外線を照射する。赤外線は、透光部材４１を透過しウエハ４に照射される。これにより、ウエハ４はデガスされる。このとき、Ｎ２流量は０とし、バタフライバルブ１６を全開にする。これにより、デガスチャンバ内は真空引きされ、ポリイミド内の水分が脱離されやすい環境を確保できる。

次に、ステップＳ３に示されるウエハ冷却工程では、ウエハ４を加熱した後に、冷却ガス流路２０に冷却ガスを流してウエハ４を冷却する。ここでは、ランプ２をオフにした状態で、チャンバ内に導入口１２からＮ２ガスを導入して、ウエハ４を冷却する。このとき、バタフライバルブ１６はチャンバ内の圧力を一定に保つように調整される。また、導入口１２とウエハ４と排気口１３が一直線に配置されることで、チャンバ内には導入口１２から排気口１３に向かう方向のガス流が形成される。

次に、ステップＳ４に示される真空引き工程では、ウエハ４を冷却した後に、冷却ガス流路２０を真空引きする。ここでは、ランプ２をオフにして、Ｎ２流量は０とする。これにより、チャンバ内に充満しているＮ２ガスが排気口１３から排気され、高真空状態が得られる。以上からデガスおよび冷却が完了し、成膜チャンバ３０ａ、３０ｂまたは３０ｃへのウエハ４の搬送準備が完了する。

ステップＳ５の搬送の際には、ステージ６が下降して、搬送フォーク３１が保持具５ごとウエハ４を搬送する。これにより、搬送時に透光部材４１の凸部４１ａと保持具５とが接触することを防止できる。

次に、本実施の形態の効果を説明する。一方の面に表面保護用のポリイミド膜を有するウエハについて、他方の面に高真空下での成膜を行うことがある。この場合、ポリイミド膜からのデガスが問題となることがある。ポリイミド膜は高い吸湿性を有する。このため、ポリイミド膜は高真空下において水分を放出し、成膜チャンバの真空度を低下させることがある。この結果、真空成膜時の膜質が低下するおそれがある。この対策として、成膜前にポリイミド膜の変質が起きない程度の高温で、可能な限り長時間デガスすることが挙げられる。

例えば成膜がスパッタで行われる場合、デガスのあと成膜開始までに、ウエハをスパッタ開始温度付近まで冷却する必要がある。冷却手法としてガス導入による自然冷却を行う場合、冷却速度はチャンバ内の冷却ガス圧に依存する。冷却速度を速くするために冷却ガス圧を高めると、成膜チャンバへの搬送までの真空引きに、さらなる時間を要するおそれがある。

また、別の冷却手法として、ウエハをステージと接触させて、強制冷却する方法が挙げられる。しかし、加熱されたポリイミドがステージに接すると、ステージにポリイミドの成分が付着して、汚染されるおそれがある。

また、ワイドギャップ半導体であるＳｉＣなどは、赤外線に対して透過性を有する。このようなウエハをデガスする場合、ウエハの温度が上がりにくく、デガスの効率が低くなるおそれがある。このようなウエハに対して、サセプター等の発熱体との接触により加熱を行うことがある。しかし、ポリイミド付きウエハでは、デガスを行う際にウエハをステージに対して浮いた状態にする必要がある。このため、発熱体との接触による加熱は一般に困難である。

これらの問題を加熱時間および冷却時間の延長により解決しようとすると、成膜前の限られた待機時間でシーケンスが完了しない可能性がある。このため、成膜処理のスループットを低下させ、生産性を低下させるおそれがある。また、生産性の向上のため、デガスチャンバを複数設けると、装置が大型化または複雑化するおそれがある。

これに対し、本実施の形態では、透光部材４１が凸部４１ａを有することで、ウエハ４上で冷却ガスの流れる領域が狭まる。これにより、ガス流をウエハ４に押し付けることができる。この結果、ウエハ４を効率よく冷却でき、生産性を向上できる。なお、導入口１２とウエハ４と排気口１３とが同一直線上に並ぶことで、ウエハ４上にガス流が形成され、ウエハ４に対する強制冷却を効率的に行うことができる。つまり、ウエハ４と冷却ガスとの熱交換が促進され、ウエハをさらに効率よく冷却できる。

次に、ランプ２、排気およびガス導入を制御しながら、デガス工程、ウエハ冷却工程および真空引き工程を順に行う利点を説明する。まず、デガス工程では、ウエハ４を加熱した状態でチャンバ内を真空とすることで、ポリイミド表層からのデガスを促進できる。また、ウエハ冷却工程では、ガス導入をしながら排気を行うことで、ガス流を形成できる。さらに、自然冷却の場合よりもチャンバの圧力を低くできる。これにより、次工程の真空引きに要する時間を短縮できる。真空引き工程の時間が短縮できれば、限られた成膜待機時間の中で、より長い時間をデガス工程に充てることができる。

本実施の形態では、一方の面にポリイミドが形成されたウエハ４のデガスについて説明した。これに限らず、本実施の形態に係る半導体製造装置１００は、あらゆるウエハのデガスに適用されても良い。この場合も本実施の形態によればウエハを効率よく冷却でき、生産性の向上できる。

また、半導体製造装置１００の構造は図１に示される構造に限定されない。例えば、本実施の形態では、ランプ２はウエハ４の直上に設けられる。これに限らず、ランプ２は冷却ガス流路２０の外側に設けられ、透光部材４１を介してウエハ４を加熱できれば良い。この際、ランプ２の光はウエハ４を直接照射しても良く、反射材３を介して照射しても良い。また、ランプ２は複数設けられても良い。

また、本実施の形態では、透光部材４１はウエハ４の上方に設けられた。これに限らず、冷却ガス流路２０のうち、ウエハ４の上面と対向する部分と、ウエハ４の下面と対向する部分の少なくとも一方が、ランプ２の光を通す透光部材４１から形成されれば良い。例えばウエハ４の保持機構または搬送機構に応じて、ウエハ４の下方にランプ２と透光部材４１を取り付けても良い。

また、本実施の形態では透光部材４１の凸部４１ａは、断面視で台形型である。凸部４１ａは、ウエハ４の上面に沿った平面を有する。これにより、ウエハ４上の広い領域において、冷却ガスの流れる領域を狭め、ガス流をウエハ４に押し付けることができる。従って、ウエハ４をさらに効率よく冷却できる。透光部材４１の形状および凸部４１ａの形状は、図１に示されるものに限定されない。

また、ウエハ４はワイドバンドギャップ半導体によって形成されても良い。ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである。上述したように、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたウエハ４では、デガス工程でウエハ４の温度が上がりにくいことがある。これに対し本実施の形態では、ウエハ冷却工程および真空引き工程の短縮が可能であり、長い時間をデガス工程に充てることができる。従って、生産性の低下を抑制しながら、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたウエハ４を十分にデガスできる。

これらの変形は、以下の実施の形態に係る半導体製造装置および半導体装置の製造方法について適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る半導体製造装置および半導体装置の製造方法については実施の形態１との共通点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る半導体製造装置２００の断面図である。図６は、図５をＢ－Ｂ直線で切断することで得られる断面図である。本実施の形態では、ウエハ４の上下に透光部材２４１、２４２およびランプ２ａ、２ｂが設けられる点が実施の形態１と異なる。筐体１の内部の底面および天井部分には、ランプ２ａ、２ｂおよび反射材３ａ、３ｂがそれぞれ設けられている。ランプ２ａ、２ｂは、それぞれ冷却ガス流路２２０の下方および上方に設けられる。

本実施の形態では、フレーム７、８および透光部材２４１、２４２が、冷却ガス流路２２０を形成する。冷却ガス流路２２０のうち、ウエハ４の上面と対向する部分は透光部材２４１から形成される。冷却ガス流路２２０のうち、ウエハ４の下面と対向する部分は透光部材２４２から形成される。透光部材２４１は、Ｏリングなどのシール部材１１ａ、１１ｂを介して、ウエハ４が配置された領域の気密性が確保されるようにフレーム８に取り付けられる。透光部材２４２は、Ｏリングなどのシール部材１１ｃ、１１ｄを介して、ウエハ４が配置された領域の気密性が確保されるようにフレーム７に取り付けられる。

透光部材２４２はウエハ４の下面に向かって突出する凸部２４２ａを有する。ウエハ４の下面は、ポリイミドが形成された面である。保持具５は、筐体１と接続されたフレーム２１によって保持されている。他の構造は、実施の形態１の構造と同様である。なお、図６ではフレーム７が省略されている

半導体製造装置２００の動作は半導体製造装置１００の動作と同様である。ランプ２ａは、デガス工程においてランプ２ｂと同時にオンになる。また、他チャンバへウエハを搬送する際には、透光部材２４２と保持具５との間に搬送フォーク３１が挿入される。搬送フォーク３１は保持具５を持ち上げ、ウエハ４を保持具５と共に水平方向に移動させる。

次に、ポリイミド付きウエハ４の両面をランプ２ａ、２ｂで加熱する効果について説明する。ＳｉＣはＳｉよりもバンドギャップが大きいため、赤外光を透過しやすい。これに対し本実施の形態では、両側から光を照射することで、ウエハ４に入射する光の量を増やすことができる。このため、ワイドバンドギャップ半導体で形成されたウエハ４においても、加熱の時間効率を高めることができる。

また、片面からのランプ照射では、一方の面からの熱が他方の面に伝わるまでに時間を要する。また、ポリイミド膜と基板との間に電極膜が設けられることがある。このような構造のウエハのポリイミド面だけを加熱すると、ポリイミドは温まるが、電極膜で光が反射されて基板が温まりにくいおそれがある。これに対し、本実施の形態ではウエハ４の両面からランプ２ａ、２ｂによる照射を行う。このため、ウエハ４の両面を直接加熱でき、加熱の時間効率を向上できる。

本実施の形態では、ウエハ４の下方の透光部材２４２が凸部２４２ａを有する。これに限らず、ウエハ４の保持機構または搬送機構に応じて、ウエハ４の上方の透光部材２４１が凸部を有してもよい。このように、透光部材２４１と透光部材２４２の少なくとも一方が、凸部を有すれば良い。

図７は、実施の形態２の変形例に係る半導体製造装置３００の断面図である。半導体製造装置３００は、ウエハ４の上方の透光部材３４１も凸部３４１ａを有する点が半導体製造装置２００と異なる。他の構造は、半導体製造装置２００の構造と同様である。このように、上下の透光部材３４１、２４２の両方が凸部を有しても良い。これにより、ウエハ４の上下で冷却ガスの流れる領域を狭くして、ガス流をウエハ４に押し付けることができる。この結果、ウエハ４をさらに効率よく冷却できる。

なお、各実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いても良い。

１ 筐体、２ ランプ、２ａ ランプ、２ｂ ランプ、３ 反射材、３ａ 反射材、４ ウエハ、５ 保持具、６ ステージ、７、８ フレーム、９、１１ａ、１１ｃ シール部材、１２ 導入口、１３ 排気口、１５ 圧力計、１６ バタフライバルブ、１７ ポンプ、１８ａ ゲートバルブ、２０ 冷却ガス流路、２１ フレーム、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 成膜チャンバ、３１ 搬送フォーク、４１ 透光部材、４１ａ 凸部、５１ 搬送フォーク、５２ ウエハ投入口、１００ 半導体製造装置、１５０ 半導体製造システム、２００ 半導体製造装置、２２０ 冷却ガス流路、２４１ 透光部材、２４２ 透光部材、２４２ａ 凸部、３００ 半導体製造装置、３４１ 透光部材、３４１ａ 凸部

Claims (11)

1. 内部にウエハが配置され、前記ウエハが配置された領域が冷却ガスの流路となる冷却ガス流路と、
   前記冷却ガス流路の外側に設けられたランプと、
   を備え、
   前記冷却ガス流路のうち、前記ウエハの上面と対向する部分と、前記ウエハの下面と対向する部分の少なくとも一方は、前記ランプの光を通す透光部材から形成され、
   前記透光部材は、前記ウエハに向かって突出する凸部を有することを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記冷却ガス流路の内部で、前記ウエハと前記冷却ガス流路が離れた状態で、前記ウエハを保持する保持具を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 前記冷却ガス流路のうち、前記ウエハの上面と対向する部分は第１透光部材から形成され、
   前記冷却ガス流路のうち、前記ウエハの下面と対向する部分は第２透光部材から形成され、
   前記ランプは前記冷却ガス流路の上方および下方に設けられ、
   前記第１透光部材と前記第２透光部材の少なくとも一方は、前記凸部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体製造装置。
4. 前記冷却ガス流路への前記冷却ガスの導入口と、前記ウエハと、前記冷却ガス流路からの前記冷却ガスの排気口は、同一直線状に並ぶことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の半導体製造装置。
5. 前記ウエハの一方の面にはポリイミドが形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の半導体製造装置。
6. 前記ウエハはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の半導体製造装置。
7. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項６に記載の半導体製造装置。
8. ウエハの上面と対向する部分と前記ウエハの下面と対向する部分の少なくとも一方が、前記ウエハに向かって突出する凸部を有する透光部材から形成された冷却ガス流路の内部に前記ウエハを配置し、
   前記透光部材を介して、前記冷却ガス流路の外側に設けられたランプで前記ウエハを加熱し、
   前記ウエハを加熱した後に、前記冷却ガス流路に冷却ガスを流して前記ウエハを冷却し、
   前記ウエハを冷却した後に、前記冷却ガス流路を真空引きすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 前記ウエハの一方の面にはポリイミドが形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記ウエハはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項８または９に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。

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