JP5104288B2

JP5104288B2 - 真空ポンプ、半導体装置の製造装置及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP5104288B2
Application number: JP2007332796A
Authority: JP
Inventors: 英之片岡; 謙二打田; 一生橋見
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2027-12-25
Also published as: JP2009156096A

Description

本発明は、プラズマ処理等が行われる処理室内の真空化に好適な真空ポンプ、並びにこれを用いた半導体装置の製造装置及び半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の製造に当たり、配線材料の加工の際にプラズマエッチングが行われることがある。例えば、Ａｌ配線の形成の際には、Ａｌ膜に対するプラズマエッチングが行われている。

近時、半導体装置に対する微細化の要請が高まっているが、微細化が進むほど、異物の影響を受けやすく、歩留まりが低くなりやすい。例えば、配線同士の間隔が狭まるので、間隔が広い場合にはショートを引き起こさない程度の大きさの異物が存在する場合でも、正常な動作が行われなくなってしまう。この結果、歩留まりが低下しているのである。

そこで、種々の方法によってチャンバ内の清浄化が図られている（特許文献１及び２）。

しかしながら、これらの技術によっても異物の混入に伴う歩留まりの低下を効果的に抑制することはできない。

特開平９−１３９３４９号公報特開２００４−１５８５６３号公報実開平５−０１８６０３号公報特開平１０−０７３０７８号公報特公平７−７２５５８号公報特許第２５６４０３８号公報

本発明の目的は、真空処理室内での異物の混入を効果的に抑制することができる真空ポンプ、半導体装置の製造装置及び半導体装置の製造方法を提供することにある。

本願発明者らは、異物の混入の原因を追及すべく鋭意検討を行った。この結果、プラズマエッチング装置のチャンバにつなげられる真空ポンプに異物混入の原因があることを見出した。

従来、一般的に、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプからの異物（発塵）の舞い戻りはないと考えられており、その対策はとられていない。一部の真空ポンプでは、コールドトラップにより真空ポンプへの水分等の混入が抑制されているが、異物の舞い戻りは考慮されておらず、コールドトラップによってもチャンバ内での異物の混入を抑制することはできない。また、アウトガスの影響による真空ポンプの誤動作を抑制するために真空ポンプの温度を局所的に６５℃程度に保持する技術もあるが、この技術によってもチャンバ内での異物の混入を抑制することはできない。

本願発明者らが取得した、異物によりショートが生じたＡｌ配線のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真を図５に示す。図５に示す例では、Ａｌ膜のプラズマエッチングの際に異物が混入したため、Ａｌ膜が所望の形状にパターニングされずに、異物の形状を反映させた部分が残存してしまっている。

また、本願発明者らが取得した、このようなショート等のパターン不良のウェハでの分布を図６に示す。図６に示すように、ウェハの全体にパターン不良が分布しており、歩留まりが非常に低いといえる。なお、図６中の「１２０」及び「１６０」は、欠陥の分類コードであり、共に、真空ポンプからの異物混入によるパターン不良を示している。「１２０」は、異物によるＡｌ配線ショートを示し、「１６０」は、異物による単独のパターン不良が生じたことを示している。

そして、このようなパターン不良の原因は、上述のように、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプからの異物の混入であることが本願発明者らによって解明された。また、Ａｌ膜のエッチングの際に生じる異物の主成分はＡｌＣｌ₃であり、ＡｌＣｌ₃は７０℃以上の環境下では、真空ポンプの内部に付着しにくいことも解明された。更に、異物の大きさは圧力が高い下流側（排気口側）ほど小さく、チャンバ内に舞い戻りやすいことも解明された。

そして、本願発明者らは、更に鋭意検討を重ねた結果、以下に示す諸態様に想到した。

真空ポンプの一態様には、吸気口と、排気口と、前記吸気口と前記排気口との間に設けられたガス流路と、が設けられている。更に、前記ガス流路を加熱する第１及び第２の加熱手段が設けられている。前記第１の加熱手段は、前記第２の加熱手段よりも前記吸気口に近い位置に設けられており、前記第２の加熱手段は、前記第１の加熱手段よりも高い温度に前記ガス流路を加熱する。前記ガス流路のうち前記第２の加熱手段により加熱される領域の温度は、前記ガス流路のうち前記第１の加熱手段により加熱される領域の温度よりも高い。

半導体装置の製造装置の一態様には、上記の真空ポンプが設けられ、更に、前記真空ポンプによってその内部が真空にされ、半導体基板に対する処理が行われる真空処理室が設けられている。

半導体装置の製造方法の一態様では、半導体基板が搬入された真空処理室の内部を、上記の真空ポンプを用いて真空にし、その後、前記半導体基板の処理を行う。

上記の真空ポンプ等によれば、適切な加熱により真空ポンプ内に異物が付着しにくくなり、そのまま排出されるため、真空処理室内への異物の混入を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造装置を示す模式図である。

この装置には、アルミニウム膜等の金属膜、多結晶シリコン膜等の半導体膜及び／又はシリコン酸化膜等の絶縁膜等が形成された半導体基板が搬入されるチャンバ１０２、このチャンバ１０２内にプラズマを発生させるプラズマ発生源１０３、及びチャンバ１０２内を真空にする真空ポンプ１０１が設けられている。真空ポンプ１０１は、スロットルバルブを備えたフランジ１０６を介してチャンバ１０２につなげられている。チャンバ１０２には、処理前の半導体基板が搬送チャンバから搬入され、処理後の半導体基板がチャンバ１０２から搬送チャンバに搬出される。真空ポンプ１０１は、例えばターボ分子ポンプである。また、真空ポンプ１０１の後段にはドライポンプがつなげられている。更に、本実施形態では、後述のように、真空ポンプ１０１にヒータが設けられており、ヒータの温度の制御を行う温度制御部１０４が設けられている。温度制御部１０４は、例えば真空ポンプ１０１の一部として構成されている。

このように構成された半導体装置の製造装置では、真空ポンプ１０１及びドライポンプ１０５によってチャンバ１０２内が真空にされた後、搬送チャンバから半導体基板がチャンバ１０２内に搬入される。次いで、プラズマ発生源１０３によってプラズマがチャンバ１０２内に発生し、このプラズマによって金属膜等のドライエッチングが行われたり、絶縁膜の表面処理（プラズマの照射）が行われたりする。また、この処理の際には、詳細は後述するが、ヒータの温度制御が温度制御部１０４によって行われる。そして、このような処理の後に、プラズマの発生が停止され、半導体基板が搬送チャンバに搬出される。

次に、真空ポンプ１０１の詳細について説明する。図２は、真空ポンプ１０１の構造を示す模式図である。

真空ポンプ１０１には、ハウジング１、及びこのハウジング１の内面から中心部に向けて延びる棚状の固定翼２が複数設けられている。ハウジング１及び固定翼２は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金（例えばジュラルミン）製である。また、ハウジング１の上端部にはフランジ６が設けられており、その中央に吸気口７が設けられている。また、ハウジング１の下側の側壁部には排気口８が設けられている。ハウジング１の排気口８の上側に内側に突出する支持部１ａが形成されており、この支持部１ａに円筒状のスペーサ９が支持されている。スペーサ９の内面には、らせん状の溝９ａが形成されている。スペーサ９は、例えばステンレス製である。スペーサ９の材料として、表面にニッケル膜が形成されたアルミニウム又はアルミニウム合金が用いられてもよい。吸気口７及び排気口８の間の空間がガス流路となっている。

また、ハウジング１の底部の中央には、上方に延びるシャフト４を回転させる駆動部３が設けられている。駆動部３内には、高周波モータ（図示せず）等が含まれている。シャフト４の上側の端部には、駆動部３と、固定翼２及びスペーサ９との間の隙間を下方まで延びる回転体１０が固定されている。回転体１０は、例えばステンレス製である。回転体１０には、固定翼２同士の隙間に入り込む回転翼５が複数設けられている。

真空ポンプ１０１の上下方向において、固定翼２が設けられたガス流路は固定翼領域１１とよばれ、スペーサ９が設けられたガス流路はスペーサ領域１２とよばれる。そして、本実施形態では、固定翼領域１１に、ハウジング１の外側からハウジング１の内側を加熱する第１のヒータ２１が設けられ、スペーサ領域１２に、ハウジング１の外側からハウジング１の内側を加熱する第２のヒータ２２が設けられている。ヒータ２１による加熱の設定温度は９５℃であり、ヒータ２２による加熱の設定温度は１１５℃である。この設定温度は温度制御部１０４により制御される。温度制御部１０４は、例えば、固定翼領域１１及びスペーサ領域１２に夫々設けられた温度センサ（図示せず）に基づいて設定温度を制御する。このように温度が設定された場合、チャンバ１０２の内部よりも真空ポンプ１０１の内部の方が、温度が高くなりやすい。

このように構成された真空ポンプ１０１では、回転体１０が駆動部３により駆動されて回転すると、回転翼５及び固定翼２の協働作用により、吸気口７からチャンバ１０２内のガスが吸気される。そして、このガスは固定翼領域１１を介してスペーサ領域１２まで送られる。スペーサ領域１２では、回転体１０の回転に伴ってガスが溝９ａ内を高速で流れる。そして、このガスは排気口８から外部へと排気される。

ここで、ヒータ２１及び２２の作用及び設定温度について説明する。

上述のように、ＡｌＣｌ₃は７０℃以上の環境下で真空ポンプの内部に付着しにくい。これは半導体装置の製造過程で生ずる他の異物についても同様である。そして、本実施形態では、ヒータ２１による加熱の設定温度が９５℃であり、ヒータ２２による加熱の設定温度が１１５℃であるので、ガスが流れる部分までに若干の温度の降下があっても、ガスが流れる部分（ガス流路）の温度は７０℃以上となる。従って、固定翼領域１１及びスペーサ領域１２内での異物の付着を抑制することができ、そのまま排出されやすくなる。スペーサ領域１２よりも排気口８に近い部分に異物が付着する可能性もあるが、この部分に付着した異物がチャンバ１０２内まで戻ることはほとんどなく、チャンバ１０２内での異物の混入が著しく抑制される。

また、上述のように、異物の付着がある場合、その大きさは排気口８に近い部分ほど小さく、チャンバ１０２内に舞い戻りやすいが、本実施形態では、スペーサ領域１２を加熱するヒータ２２の設定温度を、固定翼領域１１を加熱するヒータ２１の設定温度よりも高くしているので、異物の混入を効率的に抑制することができる。つまり、ヒータ２１及び２２の温度を９５℃とした場合には、スペーサ領域１２に若干の異物が付着することも考えられ、ヒータ２１及び２２の温度を１１５℃とした場合には、固定翼領域１１の加熱が過剰になることも考えられるが、本実施形態によれば、設定温度が適切に設定されているため、効率的に異物の混入を抑制することができる。

そして、半導体装置の製造において、真空ポンプを起因とする異物の混入が生じ始めた場合には、真空ポンプのオーバーホールを行ったり、真空ポンプを交換したりする必要があるが、本実施形態の真空ポンプ１０１では異物の混入が極めて生じにくいため、このような作業を行う頻度を非常に小さくすることができる。従って、図１に示す製造装置を用いれば、半導体装置のスループットを向上させるという効果も得られる。

なお、異物の付着を抑制するために、ヒータ２１及び２２の温度は９０℃以上とすることが好ましく、特に下流側に位置するヒータ２２の温度は１１０℃以上とすることが好ましい。このような設定温度を採用することにより、真空ポンプ１０１内でガスと接触する部分の温度は７０℃以上となりやすい。

その一方で、アルミニウム又はアルミニウム合金は、約１４０℃以上の環境下においてクリープ現象を起こす。従って、ヒータ２１及び２２の設定温度は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる部材の温度が１４０℃未満となる温度とすることが好ましい。例えば、固定翼２がアルミニウム又はアルミニウム合金製の場合、ヒータ２１の設定温度は１３０℃以下とすることが好ましく、ヒータ２２の設定温度は１５０℃以下とすることが好ましい。

また、スペーサ９が設けられている必要はないが、ガスの分子の流れを円滑にして速い排気速度を得るためには、スペーサ９が設けられていることが好ましい。特に、半導体装置の製造装置に用いられる真空ポンプでは、到達圧力よりも排気速度が重視されるため、スペーサ９が設けられていることが好ましい。

また、上述の実施形態では、２つのヒータ２１及び２２が設けられ、これらの設定温度が相違しているが、設定温度が９０℃以上の１つのヒータにより吸気口７と排気口８との間のガス流路を加熱してもよい。また、ヒータの数を３個以上として、より細かく設定温度を定めてもよい。また、スペーサ領域が設けられている真空ポンプにおいては、スペーサ領域においてガスと接触する部分の温度が７０℃以上となっていれば、回転翼領域の温度が７０℃未満となっていてもよい。この場合でも、細かい異物の付着が抑制されるため、従来のものと比較してチャンバ内への異物の混入は大幅に減少する。また、温度制御部１０４が、サーモグラフィによるハウジング１の表面温度の測定結果に基づいてヒータの温度制御を行ってもよい。また、固定翼領域１１及びスペーサ領域１２の一方又は両方に圧力センサを設けておき、その検出結果に応じて温度制御部１０４が温度制御を行ってもよい。

また、本発明が適用される装置はプラズマ処理が行われる装置に限定されず、化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）装置等の堆積装置（成膜装置）に用いることも可能である。また、他の装置であっても、真空中の処理が行われるものであれば、適用可能である。

次に、上述のような真空ポンプを備えた半導体装置の製造装置を用いて半導体装置を製造する方法について説明する。図７Ａ乃至図７Ｄは、半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。

先ず、図７Ａに示すように、半導体基板５１の表面にＳＴＩ法により素子分離絶縁膜５２を形成する。素子分離絶縁膜５２の形成に当たっては、半導体基板５１に溝を形成し、この溝内及び半導体基板５１上に絶縁膜を形成し、これを研磨する。この絶縁膜の形成の際に、上述の真空ポンプを用いた真空中での処理を行う。次いで、ウェル５３を形成する。

ウェル５３の形成後に、図７Ｂに示すように、ゲート絶縁膜５４及びゲート電極５５を形成する。ゲート電極５５の形成の際には、多結晶シリコン膜の形成及びパターニングを行う。多結晶シリコン膜のパターニングの際に、上述の真空ポンプを用いた真空中での処理を行う。ゲート絶縁膜５４及びゲート電極５５の形成後に、不純物拡散層５６及びサイドウォール絶縁膜５７を形成する。このようにして、電界効果トランジスタが形成される。

電界効果トランジスタの形成後に、図７Ｃに示すように、この電界効果トランジスタを覆う層間絶縁膜５８を形成し、これに不純物拡散層５６まで達するコンタクトホール５９を形成する。層間絶縁膜５８の形成及びコンタクトホール５９の形成の際に、上述の真空ポンプを用いた真空中での処理を行う。コンタクトホール５９の形成後に、コンタクトホール５９内にコンタクトプラグ６０を形成する。

コンタクトプラグ６０の形成後に、図７Ｄに示すように、コンタクトプラグ６０に接続される配線６１を層間絶縁膜５８上に形成する。配線６１の形成の際には、Ａｌ膜等の形成及びパターニングを行う。Ａｌ膜等のパターニングの際に、上述の真空ポンプを用いた真空中での処理を行う。

その後、上層の配線、プラグ及び層間絶縁膜等を形成し、半導体装置を完成させる。

このような方法によれば、異物の混入を抑制することができる。従って、パターニング不良の発生及び歩留まりの低下を抑制することができる。

次に、本願発明者らが実際に行った実験について説明する。

（第１の実験）
先ず、第１の実験について説明する。第１の実験では、ヒータが設けられていない従来の真空ポンプ（比較例）及び上述の実施形態と同様の真空ポンプ（実施例）について、温度の分布及び内部の圧力の分布を測定した。この結果を図３Ａ及び図３Ｂに示す。図３Ａは、比較例における分布を示すグラフであり、図３Ｂは、実施例における分布を示すグラフである。なお、温度の分布は、サーモグラフィにより測定した。また、図３Ａ及び図３Ｂ中の実線は温度を示し、破線は圧力を示す。更に、本願発明者らは、両真空ポンプの内部に存在する異物がどの範囲に存在するか確認した。この結果も図３Ａ及び図３Ｂ中に示す。

図３Ａに示すように、比較例では、異物がスペーサ領域の大部分に存在した。従って、この真空ポンプを用いて半導体装置の製造を行うと、比較的早期にチャンバ内で異物が混入し始めると考えられる。これに対し、図３Ｂに示すように、実施例では、スペーサ領域には異物が存在せず、それよりも排気口側に存在しただけであった。従って、異物の舞い戻りが非常に生じにくく、チャンバ内での異物の混入は生じにくいといえる。

また、この結果から、異物の付着の程度は、温度だけでなく圧力にも依存していると考えられる。つまり、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、圧力が高い領域ほど異物が付着しやすいという結果が得られた。従って、ヒータの温度制御に当たっては、真空ポンプ内の圧力を測定しながら、この測定結果に応じて温度を変化させることが好ましいといえる。

（第２の実験）
次に、第２の実験について説明する。第２の実験では、ヒータ２１及び２２の代わりに固定翼領域１１及びスペーサ領域１２を覆う１つヒータを設け、このヒータの設定温度を変えながら、異物の混入が生じるまでの半導体基板の処理数を調査した。他の構造は上述の実施形態と同様とした。なお、この処理としては、半導体基板上に形成されたＡｌ膜のプラズマエッチングを行った。この結果を図４に示す。

図４に示すように、ヒータの設定温度が９０℃未満の場合には、処理数は１５０００枚まで達しなかった。一方、ヒータの設定温度が１００℃を超えている場合には、処理数が急激に増加し、２５０００枚を超えた。この結果から、ヒータが１つの場合、その設定温度は９０℃以上であることが好ましく、また１００℃以上であることがより好ましいといえる。また、異物の付着の機構を考慮すると、スペーサ領域が設けられた真空ポンプでは、スペーサ領域を加熱するヒータの設定温度は９０℃以上であることが好ましく、また１００℃以上であることがより好ましいといえる。

本発明の実施形態に係る半導体装置の製造装置を示す模式図である。真空ポンプ１０１の構造を示す模式図である。第１の実験の比較例における分布を示すグラフである。第１の実験の実施例における分布を示すグラフである。第２の実験の結果を示すグラフである。異物によりショートが生じたＡｌ配線のＳＥＭ写真を示す図である。パターン不良のウェハでの分布を示す図である。本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図７Ａに引き続き、半導体装置の製造方法を示す断面図である。図７Ｂに引き続き、半導体装置の製造方法を示す断面図である。図７Ｃに引き続き、半導体装置の製造方法を示す断面図である。

符号の説明

１：ハウジング
１ａ：支持部
２：固定翼
３：駆動部
４：シャフト
５：回転翼
６：フランジ
７：吸気口
８：排気口
９：スペーサ
９ａ：溝
１０：回転体
１１：固定翼領域
１２：スペーサ領域
２１、２２：ヒータ
１０１：真空ポンプ
１０２：チャンバ
１０３：プラズマ発生源
１０４：温度制御部
１０５：ドライポンプ
１０６：フランジ

Claims

吸気口と、
排気口と、
前記吸気口と前記排気口との間に設けられたガス流路と、
前記ガス流路を加熱する第１及び第２の加熱手段と、
を有し、
前記第１の加熱手段は、前記第２の加熱手段よりも前記吸気口に近い位置に設けられ、
前記第２の加熱手段は、前記第１の加熱手段よりも高い温度で前記ガス流路を加熱する
前記第２の加熱手段は、前記第１の加熱手段よりも高い温度で前記ガス流路を加熱し、
前記ガス流路のうち前記第２の加熱手段により加熱される領域の温度は、前記ガス流路のうち前記第１の加熱手段により加熱される領域の温度よりも高いことを特徴とする真空ポンプ。
前記ガス流路は、
前記吸気口と前記排気口との間に設けられた固定翼を備えた固定翼領域と、
前記固定翼領域よりも前記排気口に近い位置に設けられたスペーサ領域と、
を備え
前記第１の加熱手段は前記固定翼領域を加熱し、
前記第２の加熱手段は前記スペーサ領域を加熱することを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
前記第１の加熱手段は、前記ガス流路を７０℃以上に加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の真空ポンプ。
前記ガス流路の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段による検出の結果に基づいて前記第１の加熱手段及び前記第２の加熱手段の制御を行う温度制御手段と、
を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
前記第１の加熱手段によって加熱される位置の圧力及び前記第２の加熱手段によって加熱される位置の圧力を夫々測定する圧力測定手段を有し、
前記温度制御手段は、前記温度検出手段による検出の結果及び前記圧力測定手段による検出の結果に基づいて前記第１の加熱手段及び前記第２の加熱手段の制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の真空ポンプ。
真空ポンプと、
前記真空ポンプによってその内部が真空にされ、半導体基板に対する処理が行われる真空処理室と、
を有し、
前記真空ポンプは、
吸気口と、
排気口と、
前記吸気口と前記排気口との間に設けられたガス流路と、
前記ガス流路を加熱する第１及び第２の加熱手段と、
を有し、
前記第１の加熱手段は、前記第２の加熱手段よりも前記吸気口に近い位置に設けられ、
前記第２の加熱手段は、前記第１の加熱手段よりも高い温度で前記ガス流路を加熱し、
前記ガス流路のうち前記第２の加熱手段により加熱される領域の温度は、前記ガス流路のうち前記第１の加熱手段により加熱される領域の温度よりも高いことを特徴とする半導体装置の製造装置。
半導体基板が搬入された真空処理室の内部を、真空ポンプを用いて真空にする工程と、
前記半導体基板の処理を行う工程と、
を有し、
前記真空ポンプとして、
吸気口と、
排気口と、
前記吸気口と前記排気口との間に設けられたガス流路と、
前記ガス流路を加熱する第１及び第２の加熱手段と、
を有し、
前記第１の加熱手段は、前記第２の加熱手段よりも前記吸気口に近い位置に設けられ、
前記第２の加熱手段は、前記第１の加熱手段よりも高い温度で前記ガス流路を加熱し、
前記ガス流路のうち前記第２の加熱手段により加熱される領域の温度は、前記ガス流路のうち前記第１の加熱手段により加熱される領域の温度よりも高いものを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。