JP6149568B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法および製造装置に関する。

従来、例えば、特開平１０−０６４９０７号公報に開示されているように、半導体ウエハ上に同一材料で複数の層を形成する半導体装置の製造方法が知られている。この文献では、低温で形成したＡｌＣｕ膜（下側導電体薄膜）と高温で形成したＡｌＣｕ膜（上側導電体薄膜）とを半導体ウエハ上に設けている。これら２つの膜は互いに成膜温度および膜厚が異なっている。

特開平１０−０６４９０７号公報 特開平１１−２９７６９５号公報 特開２００４−００６４４４号公報 特開２００４−０７２１１９号公報 特開平６−０３７０３９号公報 特開２００５−０１５８２０号公報 特開２００７−２０８２８５号公報 特開平１１−１４５０８２号公報

従来のスパッタ方法は、成膜処理中の半導体ウエハを固定するために、半導体ウエハ外周端部の数点をパーツ（具体的には、クランプリング）で押え、１つのチャンバで必要な膜厚を成膜するのが普通である。成膜処理後はチャンバへのガス導入を停止し、半導体ウエハをチャンバ外へ搬出し、チャンバが十分に冷却されないままで次の半導体ウエハの処理が行われる。

成膜の際にはチャンバ内が高温となるので、半導体ウエハやチャンバが熱を蓄える。特に半導体ウエハ上に厚い膜を成膜する際には、高電力で長時間の成膜を行うことになる。蓄熱により半導体ウエハが反ることで、チャンバ内の部品へ半導体ウエハ表面が貼り付いたり、搬送用ロボットなどのその他パーツとの干渉により半導体ウエハが損傷したりするという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、半導体ウエハの蓄熱に起因する悪影響を抑制することのできる半導体装置の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、半導体装置の製造方法であって、
複数のチャンバを備える成膜装置を用いて、前記複数のチャンバのうち第１チャンバで第１の厚さの第１の膜を半導体ウエハに第１基板温度、第１圧力、および第１電力で形成する第１工程と、
前記第１の膜を形成した前記半導体ウエハを前記複数のチャンバのうち第２チャンバへ真空雰囲気で搬送し、前記第２チャンバ内において前記第１基板温度、前記第１圧力、および前記第１電力で、前記第１の膜の上に前記第１の膜と同じ材料からなる第２の厚さの第２の膜を形成する工程と、
を備え、
前記成膜装置がスパッタ装置であり、
前記第１の膜および前記第２の膜が、スパッタ膜であり、
前記半導体ウエハに前記第１の膜を成膜した後に前記第１チャンバ内に不活性ガスを導入することで、又は前記半導体ウエハに前記第２の膜を成膜した後に前記第２チャンバ内に不活性ガスを導入することで、前記第１チャンバ内の部品および前記第２チャンバ内の部品の少なくとも一方と前記半導体ウエハとを冷却することを特徴とする。

本発明によれば、半導体ウエハの蓄熱に起因する悪影響を抑制することができる。

本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２の変形例にかかる半導体装置の製造装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の製造装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の製造装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態３の変形例にかかる半導体装置の製造装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に対する比較例を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に対する比較例を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に対する比較例を説明するための図である。 本発明の実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法を説明するための図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法を説明するための図である。図１（ａ）は、実施の形態１で用いられるスパッタ装置ＳＰの各チャンバＣ１、Ｃ２、Ｃ３、ＣＭを示す図である。図２は、実施の形態１にかかる製造法の流れを示すチャート図である。

実施の形態１では、複数のチャンバを備える単一の成膜装置（具体的には、マルチチャンバ型のスパッタ装置ＳＰ）を用いて、１種類の膜を複数回に分けて成膜するものである。本実施の形態では、半導体ウエハの基板温度、チャンバ内の圧力、およびスパッタ時の電力（パワー）を、その複数回の成膜時それぞれで同じ条件にする。これにより、複数の成膜工程において膜質を同じとし、最終的に複数の層を積み重ねて均質な膜を製造することができる。

図１に示すように、実施の形態１では、第１チャンバＣ１、第２チャンバＣ２、第３チャンバＣ３、および搬送チャンバＣＭを備えたマルチチャンバ型のスパッタ装置ＳＰを用いる。第１チャンバＣ１、第２チャンバＣ２、第３チャンバＣ３は、それぞれ搬送チャンバＣＭと連結する搬送通路を備えている。搬送チャンバＣＭには真空ポンプ（図示せず）が接続しており、搬送チャンバＣＭ内および上記搬送通路内に真空雰囲気を形成することができる。

図１（ｂ）のチャート図に示すように、まず、第１チャンバＣ１で、必要厚さの１／３の厚さの膜を、半導体ウエハに所定の基板温度、所定の圧力、および所定の電力で形成する（ステップＳ１）。

次に、膜を形成した半導体ウエハを、第２チャンバＣ２へと搬送チャンバＣＭを介して真空雰囲気で搬送する（ステップＳ２）。

ここで、真空雰囲気で半導体ウエハを搬送するときに半導体ウエハの温度を低下させる。温度低下は、高温チャンバから搬出して搬送チャンバＣＭを経由することで真空雰囲気中で自然に生ずる温度低下でもよく、あるいは積極的な冷却を行っても良い。これは、後述する第２チャンバＣ２から第３チャンバＣ３へと搬送する際も同じである。

次に、第２チャンバＣ２へ半導体ウエハを搬入して、ステップＳ１のときと同じ基板温度、圧力、電力で、再び同じ材料の膜を、必要厚さの１／３厚さだけ形成する（ステップＳ３）。これにより、必要厚さの２／３の厚さの膜が形成される。

さらに、ステップＳ２と同じく、搬送チャンバＣＭを介して真空雰囲気中で半導体ウエハを搬送し、第３チャンバＣ３に半導体ウエハを搬入する（ステップＳ４）。

次に、第３チャンバＣ３へ半導体ウエハを搬入して、ステップＳ１、Ｓ３のときと同じ基板温度、圧力、電力で、再び同じ材料の膜を、必要厚さの１／３厚さだけ形成する（ステップＳ５）。これにより、必要厚さの膜が完成する。

実施の形態１によれば、複数回に分けて必要厚さの膜を形成することにより、チャンバ間の搬送時における冷却効果で、半導体ウエハを冷却することができる。さらに、１回あたりの成膜量を減らすことができるので、半導体ウエハの貼り付き強度を低減することができる。また、各ステップでの成膜条件を同じ条件としているので、半導体ウエハの蓄熱に起因する貼り付きの問題を安定的に抑制しつつ、均質な膜を生成することができる。

実施の形態２．
図２および図３は、本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造装置の構成を説明するための図である。図２および図３は、図示しないチャンバ内にセットされた半導体ウエハ３の端部と、その端部に沿って設けられて半導体ウエハ３を固定するためのクランプリング１の断面図である。図２の断面図と図３の断面図は、後述するように、クランプリング１の周方向位置が異なる２つの断面をそれぞれ示している。

なお、チャンバ、ターゲット、ガス導入機構等の既存のスパッタ装置の構造は新規な事項ではないので、図示を省略している。

図２および図３に示すように、実施の形態２にかかるクランプリング１は、半導体ウエハ３の端部を覆うヒサシ部４を備えている。ヒサシ部４の下方には、半導体ウエハ３の端部側に開口した凹部４ａが設けられている。

凹部４ａ内には、接触部５が設けられている。接触部５は、凹部４ａ内に収納可能であり、ヒサシ部４と半導体ウエハ３の端部の表面との間に設けられている。接触部５は、Ｌ字型に屈曲した第１部分５ａおよび第２部分５ｂを備えている。クランプリング１には、凹部４ａに連通する貫通穴１ａが設けられており、この貫通穴１ａに第２部分５ｂが挿入されている。貫通穴１ａ内を第２部分５ｂが上下動可能とされており、これにより、接触部５と半導体ウエハ３の端部の表面との距離を可変な可動部が構成されている。なお、この第２部分５ｂは、チャンバ内に設けられたウエハ受け取りパーツ（図示しない）の紙面上方向への移動と連動して、矢印方向に移動する。

クランプリング１の周方向位置と図２および図３との関係を説明すると、クランプリング１の周方向において、接触部５が設けられている部位の断面図は図２である。また、クランプリング１の周方向において、接触部５を設けていない部位の断面図は図３である。

すなわち、図２の貫通穴１ａ、ヒサシ部４、凹部４ａ、接触部５、第１部分５ａ、第２部分５ｂは、後述する図８の従来構造のクランプリングにおける凸部１０２と同様に、クランプリング１の円周方向における複数の位置に離間的に設けられている。一方、ヒサシ部４は紙面奥行き方向にリング状に連続的に伸びることで、平面視でリング状のクランプリング１が構成される。

また、実施の形態２では、図３に示すように、接触部５を設けていない部位については、半導体ウエハ３に近接するヒサシ部４の先端（ウエハ押さえ部）が小さくされている。このようにヒサシ部４の凹部４ｃの形状が最適化されている。

このような構成によれば、図２（ａ）に示すように、可動部を操作することで、接触部５を半導体ウエハ３上に成膜するときに半導体ウエハ３の端部上に接触させることができる。その後、図２（ｂ）に示すように、半導体ウエハ３への成膜後に、接触部５が半導体ウエハ３の端部表面から離れるように可動部を操作することができる。

成膜処理中は半導体ウエハ３をクランプリング１で押さえて固定する。成膜処理後は、接触部５が、半導体ウエハ３と貼り付いてしまう。この点、実施の形態２によれば、貼り付いた部分を互いに剥離できるように可動部を設けているので、貼り付きによる製造不良が発生するのを抑制することができる。

なお、半導体ウエハ３とヒサシ部４とが貼り付く確率を低減するため、接触部５の高さ（厚さ）を、０．３〜０．８μｍにしてもよい。これにより、クリアランスを確保し、貼り付きを抑制できる。これにより、様々な形状のウエハを正常に処理することもできる。

図４は、本発明の実施の形態２の変形例にかかる半導体装置の製造装置の構成を説明するための図である。接触部５は、半導体ウエハ３の端部を向く表面に、凸部を備えてもよい。具体的には、図４に示す複数の歯を持つ櫛歯状にし、剥離時のウエハへの負荷を低減してもよい。剥離時の圧力を分散させることができるからである。特に本変形例では図４に示すように奥行き方向に連続して伸びる凸部が複数個平行に並べられた櫛歯状となっている。このため、点接触ではなく、線接触で半導体ウエハ３の表面に接することができ、半導体ウエハ３に局所的な力が加わることを抑制できる。

なお、実施の形態２では、複数の接触部５を、クランプリング１の円周方向に部分的かつ離間的に設けた。しかしながら、本発明はこれに限られない。接触部５をおよび凹部４ａをリング状に形成してもよい。リング状とすることで、半導体ウエハ３の貼り付きがクランプリング１の円周方向のいずれの場所で発生しても、剥離が可能となる。

なお、クランプリング１の材質にＣｕを用いても良い。導電率の高いＣｕを用いることで、成膜処理中に発生した電子を早く流すことができる。

なお、図２に示す凹部４ａを、図３に示す凹部４ｃと同じ形状とする変形を施しても良い。その場合には、接触部５の寸法を凹部４ｃに収まるように変更すればよい。

また、クランプリング１における「接触部５を設けていない部位」について、ヒサシ部４の形状を図３のように最適化しなくともい。例えば、ヒサシ部４内側の凹部の形状を、図３に示す凹部４ｃではなく、図２に示す凹部４ａとしてもよい。あるいは、例えば後述する比較例の図１０のヒサシ部における底面１１４と同じ形状としても良い。

図８乃至１０は、本発明の実施の形態２に対する比較例を説明するための図である。図８はクランプリング１０１を半導体ウエハ３側から見上げた図であり、クランプリング１０１のヒサシ部底面には、円周方向に離間的、断続的に、凸部１０２が設けられている。図９は図８のクランプリング１０１のヒサシ部１０４近傍を拡大した断面図である。ヒサシ部１０４下部の凸部１０２が、ヒサシ部１０４の先端からクランプリング１０１の内壁まで平坦に設けられている。図１０では、ヒサシ部の底面１１４がヒサシ部の先端から均一な平面となっている。

実施の形態３．
図５および図６は、本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の製造装置の構成を説明するための図である。図５には、クランプリング５１の円周方向の途中で切断した断面を示す断面図が示されている。接触部７が半導体ウエハ３上に成膜するときに端部から離れており半導体ウエハへの成膜後に端部を押圧するように、可動部を操作する。実施の形態３と実施の形態２との間で共通する構成については、共通の符号を用いて説明を簡略化ないしは省略する。

図６に示すように、凹部６ａは、平面視でクランプリング５１の全周に沿ってリング状に設けられている。また、接触部７も平面視でリング状に形成され、リング状の凹部６ａ内に収納される。図６では図示を省略しているが、クランプリング５１の円周方向の少なくとも一箇所に、図５に示すごとき接触部７の可動用構造が設けられるものとする。

図５に示す接触部７は軸７ｂの先端に取り付けられており、軸７ｂは支点７ａを支点として回転可能となっている。クランプリング５１には直径方向に自身を貫通する貫通穴１ｂが設けられている。この貫通穴１ｂの直径は、軸７ｂの太さよりも大きくされている。

軸７ｂはこの貫通穴１ｂの側面中央位置に支点７ａ（具体的にはピン）で回転可能に支持されていて、軸７ｂの接触部７が装着される端部とは逆側の端部が、貫通穴１ｂからクランプリング５１の円周方向外側に部分的に露出している。図示しないウエハ受け取りパーツの先端部８がこの逆側の端部と連結している。

先端部８をクランプリング５１の厚さ方向に上下動させることで、図５（ｂ）の矢印に示すとおり、接触部７を凹部６ａ内に収納したり、逆に半導体ウエハ３の端部表面に接触部７を押し付けたりすることができる。

半導体ウエハ３に成膜するときには、図５（ａ）のごとく接触部７を凹部６ａ内に収納する。その後、成膜が終わったら、図５（ｂ）のように接触部７を半導体ウエハ３の端部表面を押し付けることで、貼り付いた半導体ウエハ３を剥離させることができる。

また、実施の形態３によれば、図６で述べたように接触部７がリング状となっているので、半導体ウエハ３の貼り付きがクランプリング５１の円周方向のいずれの位置で生じたとしても、剥離が可能となる。半導体ウエハ３と接触部７とが接する部分を線接触させることができるので、半導体ウエハ３に局所的に力が加わることを避けることができる。

図７は、本発明の実施の形態３の変形例にかかる半導体装置の製造装置の構成を説明するための図である。接触部７は、半導体ウエハ３の端部を向く表面に、図７に示すような矩形波形状の凸部２８を備えていてもよい。半導体ウエハ３の成膜処理後に、リング状の接触部７にて半導体ウエハ３を剥離する際に、リング状の接触部７への貼り付きを防止するために、複数の凸部２８を設けたものである。この凸部２８の断面形状は種々の形状とすることができ、三角波形状、矩形波形状、放物線形状、半円形状などを適用してもよい。

なお、クランプリング５１の材質にＣｕを用いても良い。導電率の高いＣｕを用いることで、成膜処理中に発生した電子を早く流すことができる。

実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４にかかる半導体装置の製造方法を説明するための図である。スパッタ装置のチャンバ内で半導体ウエハに成膜を行った後に、チャンバ内にガスを導入することでチャンバ内を冷却するものである。本実施の形態で使用する成膜装置、具体的にはスパッタ装置は、既存の装置を用いても良いし、上述した実施の形態２または３にかかる装置を用いても良い。スパッタ装置は、内部にクランプリング、ターゲットおよびヒータを備えている。

図１１のフローチャートでは、先ず、半導体ウエハをチャンバ内に搬入する工程が行われる（ステップＳ１）。

次に、半導体ウエハ上への成膜工程が行われる（ステップＳ２）。このとき、例えば厚い膜の形成などにより長時間の処理が行われることで、チャンバ内が高温となり半導体ウエハの熱反りが問題となる。

そこで、本実施の形態では、成膜工程の後にチャンバ内にガスを導入する工程が行われる（ステップＳ３）。ステップＳ２における半導体ウエハへの成膜により、クランプリングおよびターゲットがヒータよりも高温となっている。そこで、ガスを導入することでクランプリングおよびターゲットを冷やす。ガスは種々の不活性ガスを用いることができる。好ましくは成膜工程中（ウエハ処理中）にチャンバ内に導入していたガスと同じまたは同種のガスを用いてもよい。

次に、ガスによる冷却が行われる（ステップＳ４）。例えば、ステップＳ３の後、冷却に十分な所定期間だけ待機して冷却を待ってもよいし、チャンバ内に温度センサが設置されている場合にはその出力値が所定値を下回ったか否かを判定しても良い。

ガス導入前のヒータ温度が例えば１５０℃であるとすると、スパッタ処理によりクランプリングやターゲットはそれ以上の高温となっていると考えられる。そこで、ガスを導入することで、ガスを熱伝導媒体として利用し、ヒータを冷却源として、チャンバ内を冷却することができる。

次に、チャンバから半導体ウエハを搬出する搬出工程が行われる（ステップＳ５）。十分にチャンバ内が冷却されているので、蓄熱による半導体ウエハ反りの発生およびそれによる悪影響を抑制することができる。

以上説明した本実施の形態によれば、半導体ウエハ処理後にチャンバ内を不活性ガスで満たすことにより冷却源との熱伝導率を高めることができ、チャンバを冷却することで半導体ウエハの熱反りを抑制することができる。

なお、実施の形態４を、実施の形態１乃至３のいずれか１つにかかる半導体装置の製造方法にそれぞれ組み合わせても良い。第１チャンバＣ１の成膜処理終了後、第２チャンバＣ２の成膜処理終了後、第３チャンバＣ３の成膜処理終了後のうち少なくとも１つのタイミングにおいて、実施の形態４と同様に不活性ガスを導入することでチャンバ内の部品および半導体ウエハを冷却してもよい。

１、５１ クランプリング、１ａ 貫通穴、１ｂ 貫通穴、３ 半導体ウエハ、４ ヒサシ部、４ａ 凹部、５ 接触部、５ａ 第１部分、５ｂ 第２部分、６ ヒサシ部、６ａ 凹部、６ｂ ウエハ押さえ部、７ 接触部、７ａ 支点、７ｂ 軸、８ 先端部、２８ 凸部、１０１ クランプリング、１０２ 凸部、１０４ ヒサシ部、１１４ 底面、ＳＰ スパッタ装置、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、ＣＭ チャンバ

Claims (4)

1. 複数のチャンバを備える成膜装置を用いて、前記複数のチャンバのうち第１チャンバで第１の厚さの第１の膜を半導体ウエハに第１基板温度、第１圧力、および第１電力で形成する第１工程と、
   前記第１の膜を形成した前記半導体ウエハを前記複数のチャンバのうち第２チャンバへ真空雰囲気で搬送し、前記第２チャンバ内において前記第１基板温度、前記第１圧力、および前記第１電力で、前記第１の膜の上に前記第１の膜と同じ材料からなる第２の厚さの第２の膜を形成する工程と、
   を備え、
   前記成膜装置がスパッタ装置であり、
   前記第１の膜および前記第２の膜が、スパッタ膜であり、
   前記半導体ウエハに前記第１の膜を成膜した後に前記第１チャンバ内に不活性ガスを導入することで、又は前記半導体ウエハに前記第２の膜を成膜した後に前記第２チャンバ内に不活性ガスを導入することで、前記第１チャンバ内の部品および前記第２チャンバ内の部品の少なくとも一方と前記半導体ウエハとを冷却することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記半導体ウエハの温度が低下するように前記真空雰囲気で前記半導体ウエハを搬送することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１の厚さと前記第２の厚さが等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記複数のチャンバが第３チャンバを含み、前記第２の膜を形成した前記半導体ウエハを前記第３チャンバへ真空雰囲気で搬送し、前記第３チャンバ内において前記第１基板温度、前記第１圧力、および前記第１電力で前記第２の膜の上に前記第１の膜および前記第２の膜と同じ材料からなる第３の厚さの第３の膜を形成する工程を、
   さらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

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