TWI645589B - 半導體裝置之製造方法 - Google Patents

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TWI645589B
TWI645589B TW105129700A TW105129700A TWI645589B TW I645589 B TWI645589 B TW I645589B TW 105129700 A TW105129700 A TW 105129700A TW 105129700 A TW105129700 A TW 105129700A TW I645589 B TWI645589 B TW I645589B
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山崎滿
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日商東京威力科創股份有限公司
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Abstract

一種半導體裝置之製造方法，係具有：將形成有磁性體膜之基板搬入至處理容器內之工序；將該處理容器內之壓力調整為較大氣壓要低的第1壓力之工序；將該處理容器內之壓力從該第1壓力調整至較該第1壓力要高之第2壓力的工序；以及在該第2壓力中，將磁場施加至該磁性體膜，以將該磁性體膜磁化的工序。

Description

半導體裝置之製造方法
本發明係關於一種半導體裝置之製造方法。
作為半導體記憶體元件，1種非揮發性的MRAM(Magnetic Random Access Memory)係受到矚目。MRAM係藉由例如在將半導體晶圓(以下稱為「晶圓」)上所形成的磁性體膜維持在高真空之處理容器內，於磁場中加以熱處理(磁性退火處理)，而產生其磁性特性來加以製造。
在近年來的半導體製造裝置中，隨著元件之高密度化進展，而要求有更加緻密的處理。因此，降低粒子附著於晶圓表面便變得重要。然而，在維持為高真空之處理容器內進行磁性退火處理的情況，會有無法充分地降低粒子附著於晶圓表面之情事。
於是，本發明便提供一種可降低粒子附著於基板表面的半導體裝置之製造方法。
本發明一態樣相關的半導體裝置之製造方法，係具有：將形成有磁性體膜之基板搬入至處理容器內之工序；將該處理容器內之壓力調整為較大氣壓要低的第1壓力之工序；將該處理容器內之壓力從該第1壓力調整至較該第1壓力要高之第2壓力的工序；以及在該第2壓力中，將磁場施加至該磁性體膜，以將該磁性體膜磁化的工序。
本發明其他態樣相關的半導體裝置之製造方法，係具有：將形成有磁性體膜之基板搬入至處理容器內之工序；將該處理容器內之壓力調整為0.1Pa~100kPa之工序；在將處理容器內之壓力維持為0.1Pa~100kPa之狀態 下，將磁場施加至該磁性體膜，以將該磁性體膜磁化之工序。
1‧‧‧磁性退火裝置
10‧‧‧帽體
20‧‧‧晶舟支撐部
30‧‧‧晶舟
100‧‧‧退火爐
110‧‧‧處理容器
110A‧‧‧開口部
120‧‧‧加熱器
130‧‧‧加熱器支撐金屬板
140‧‧‧隔熱材
150‧‧‧水冷夾套
152‧‧‧內側雙重管
154‧‧‧冷媒
156‧‧‧外側雙重管
160‧‧‧凸緣部
170‧‧‧O型環
180‧‧‧氣體供給管
190‧‧‧熱電偶
195‧‧‧石英管
200‧‧‧磁鐵
W‧‧‧晶圓
S11、S21‧‧‧排氣步驟
S12、S22‧‧‧調整步驟
S13、S23‧‧‧磁性退火步驟
S14、S24‧‧‧降溫步驟
S15、S25‧‧‧大氣開放步驟
添附圖式係作為本說明書之一部分而被併入來表示本揭露之實施形態者，並與上述一般性說明及後述實施形態之細節來一同地說明本揭露之概念。
圖1係本實施形態之磁性退火裝置的概略剖面圖。
圖2係說明晶圓之配置的概略側視圖。
圖3係例示第1實施形態的半導體裝置之製造方法的時序圖。
圖4係顯示處理容器內之壓力與附著於晶圓表面之粒子數的關係之圖表。
圖5係例示第2實施形態的半導體裝置之製造方法的時序圖。
以下，便參照圖式就本實施形態來加以說明。在下述詳細的說明中，係以可充分地理解本揭露的方式來給予較多具體的細節。然而，即便無此般詳細的說明，所屬技術領域中具有通常知識者仍可完成本揭露係屬自明事項。在其他範例中，係為了避免難以了解各種實施形態，關於習知之方法、順序、系統或構成要素便不詳細地表示。另外，本說明書及圖式中，係就實質上具有相同機能構成之構成要素附加相同符號，並省略重複說明。
首先，便基於圖1就可適用於本實施形態之半導體裝置之製造方法的磁性退火裝置來加以說明。圖1係本實施形態之磁性退火裝置的概略剖面圖。另外，以下便將磁性退火裝置之前後方向作為X方向，將左右方向作為Y方向，將上下方向作為Z方向來加以說明。
如圖1所示，磁性退火裝置1係具備有退火爐100以及磁鐵200。磁鐵200係設置為覆蓋延伸於退火爐100之前後方向(長邊方向)的面之外周。磁鐵200只要能在退火爐100保持有晶圓W的區域產生既定方向(例如，前後方向)的均勻磁場的話，便可使用各種磁鐵，例如亦可使用電磁型磁鐵。
退火爐100係具備有處理容器110、加熱器120、加熱器支撐金屬板130、隔熱材140、水冷夾套150、凸緣部160、O型環170、氣體供給管180、熱電 偶190以及石英管195。又，退火爐100係構成為可將帽體10、晶舟支撐部20以及晶舟30收納於處理容器110內。
基於圖2就晶舟30來加以說明。圖2係說明晶圓之配置的概略側視圖。
晶舟30係可保持晶圓W之基板保持具一範例。晶圓W係基板一範例。晶舟30只要可保持晶圓W的話，便可使用各種晶舟30，例如圖2(a)所示，構成為可於前後方向(X方向)具有既定間隔，而將複數晶圓W分別保持為垂直狀態。又，晶舟30亦可例如圖2(b)所示，構成為可於上下方向(Z方向)具有既定間隔而將複數晶圓W分別保持為水平狀態。
如圖1所示，處理容器110係用以收納晶舟30，以進行磁性退火處理之容器。處理容器110係具有橫長筒狀形狀。處理容器110只要能以橫長筒狀來收納晶舟30的話，便不管筒之形狀，例如可構成為圓筒形。處理容器110亦可構成為由例如石英所構成的石英管。
加熱器120係加熱晶圓W之機構，且設置於處理容器110外側，並以在處理容器110之前後方向(長邊方向)中覆蓋晶舟30的方式來具有較晶舟30要長之長度。加熱器120會以覆蓋延伸於處理容器110之長邊方向的面之方式來沿著長邊方向加以設置。
加熱器支撐金屬板130係用以支撐加熱器120之金屬板。加熱器支撐金屬板130之內周面係安裝有加熱器120。
隔熱材140係用以將加熱器120所放射出之熱封鎖於內部，以防止朝設置有磁鐵200之外側放出的構件。隔熱材140係設置為覆蓋加熱器支撐金屬板130外周面。
水冷夾套150係為了防止退火爐100之溫度過度上升而加以設置，且設置為覆蓋隔熱材140外周面。水冷夾套150係具備有內側雙重管152以及外側雙重管156，且在內側雙重管152與外側雙重管156之間流通有冷媒154。冷媒154可為例如冷水，亦可為其他種類之冷媒154。藉由設置水冷夾套150，便可防止大量的熱被放射於磁鐵200側。
凸緣部160係為了將處理容器110適當地固定而設置之構造，且會透過O型環170來保持處理容器110。O型環170為了密閉固定其他處，亦可於其他處而依需要來加以設置。
氣體供給管180係在處理容器110內供給例如氮氣(N2)等的非活性氣體 之機構，且設置為從凸緣部160外周面來貫穿於內周面。
熱電偶190係用以測量處理容器110內之晶圓W周邊的溫度之溫度檢測機構，且為了進行溫度控制而可依需要來加以設置。另外，熱電偶190亦可例如配置於石英管195內。
晶舟30之前端側(帽體10之相反側)的處理容器110的內側係設置有開口部110A。開口部110A會透過未圖示之排氣管來連接於真空泵。真空泵只要能將處理容器110內真空排氣的話，便可使用各種真空泵，例如可使用乾式泵、渦輪分子泵。又，排氣管係設置有未圖示之壓力調整閥，而可藉由調整壓力調整閥之開啟程度，來調整處理容器110內之壓力。
[第1實施形態]
接著，基於圖3就本實施形態之半導體裝置之製造方法一範例來加以說明。圖3係例示第1實施形態的半導體裝置之製造方法的時序圖。
首先，將晶舟30搬入至處理容器110內(搬入步驟，未圖示)。晶舟30例如圖2(a)所示，係在前後方向具有既定間隔，而將複數晶圓W分別保持為垂直狀態。晶圓W係形成有預定之磁性體膜。
接著，排氣步驟S11中，係藉由真空泵來將處理容器110排氣，便可讓處理容器110內成為高真空。所謂高真空係壓力為10μPa~0.1Pa(10-5Pa~10-1Pa)的真空。另外，10μPa~0.1Pa的壓力範圍係第1壓力一範例。在排氣步驟S11中，係可在不從氣體供給管180來供給氣體的狀態下來將處理容器110內排氣，亦可一邊從氣體供給管180來供給非活性氣體，一邊將處理氣體110內排氣。
接著，調整步驟S12中，係調整處理容器110內之壓力、晶圓W之溫度以及處理容器110內之磁場。具體而言，係藉由調整加熱器120來將晶圓W之溫度調整為150℃~450℃。又，藉由調整磁鐵200，來將處理容器110內之磁場調整為1T~7T。又，藉由從氣體供給管180來供給既定流量之非活性氣體以及調整壓力調整閥之開啟程度，來將處理容器110內從高真空變更為中真空或低真空。所謂中真空係壓力為0.1Pa~100Pa(10-1Pa~102Pa)的真空。所謂低真空係壓力為100Pa~100kPa(102Pa~105Pa)的真空。另外，10-1Pa~105Pa的壓力範圍係第2壓力一範例。
如此般，本實施形態之半導體裝置之製造方法會在排氣步驟S11中讓處 理容器110內成為高真空後，在調整步驟S12中進行將處理容器110內調整為中真空或低真空之壓力調整操作。
接著，磁性退火步驟S13中，係於將處理容器110內維持為中真空或低真空之狀態下，藉由對晶圓W所形成之磁性體膜進行磁性退火處理，來讓磁性體膜產生所欲磁性特性。具體而言，係在調整步驟S12中所調整的條件，亦即，處理容器110內為中真空或低真空，晶圓W之溫度為150℃~450℃，磁場為1T~7T的條件下，來對晶圓W進行1分鐘~120分鐘期間的磁性退火處理。
如此般，本實施形態的半導體裝置之製造方法會在磁性退火步驟S13中，於將處理容器110內維持為中真空或低真空的狀態下，進行磁性退火處理。藉此，相較於在將處理容器110內維持為高真空的狀態下來對晶圓W所形成之磁性體膜進行磁性退火處理的情況，便可降低粒子附著於晶圓W表面。另外，關於細節會在後述實施例中加以說明。
另外，晶舟30係於前後方向具有既定間隔而將複數晶圓W分別保持為垂直狀態。藉此，由於晶圓W之膜平面方向會成為垂直於磁場方向的方向，故晶圓W所形成之磁性體膜會相對於膜而在垂直方向(perpendicular)被磁化。
又，如圖2(b)所示，在上下方向具有既定間隔而將複數晶圓W分別保持為水平狀態的情況，晶圓W之膜平面方向會成為平行於磁場方向的方向。因此，晶圓W所形成之磁性體膜會在膜平面方向(in-plane)被磁化。
接著，降溫步驟S14中，係關閉加熱器120，並關閉磁鐵200。藉此，來讓晶圓W之溫度慢慢地降溫，且讓施加至晶圓W之磁場慢慢地變小。
接著，在大氣開放步驟S15中，係藉由停止利用真空泵之處理容器110內的排氣，並從氣體供給管180來將非活性氣體供給至處理容器110內，來將處理容器110內大氣開放。在處理容器110內成為大氣壓後，將晶舟30從處理容器110內搬出。另外，大氣開放步驟S15會在藉由降溫步驟S14來讓晶圓W之溫度降溫為既定溫度後再開始。
由上述，便可讓晶圓W所形成之磁性體膜產生所欲磁性特性。
接著，就本實施形態的半導體裝置之製造方法的實施例來加以說明。實施例中，係在晶舟30中，於前後方向具有既定間隔而將100片晶圓W分別 保持為垂直狀態的狀態下，進行磁性退火處理。關於磁性退火處理之條件係晶圓W之溫度為400℃，處理容器110內之磁場為數T，處理時間為約1小時。
又，關於處理容器110內之壓力係約10-1Pa，約3×102Pa，約104Pa。實施例中，會藉由將處理容器110內減壓至乾式泵之極限壓力為止，來將磁性退火步驟S13中之處理容器110內的壓力調整為約10-1Pa。又，在以乾式泵來將處理容器110內排氣的狀態下，藉由從氣體供給管180來供給非活性氣體，並調整壓力調整閥之開啟程度，便可將磁性退火步驟S13中之處理容器110內之壓力調整為約3×102Pa或約104Pa。
另外，作為比較例係在晶舟30中，於前後方向具有既定間隔而將100片晶圓W分別保持為垂直狀態的狀態下，關於處理容器110內之壓力係成為約10-5Pa而進行磁性退火處理。另外，關於磁性退火處理之溫度、磁場、處理時間的條件係與實施例相同。比較例中，會藉由將處理容器110內減壓至渦輪分子泵之極限壓力為止，來將磁性退火步驟中之處理容器110內的壓力調整為約10-5Pa。
接著，便測量實施例及比較例所得到之附著於晶圓W表面的粒子數。
基於圖4就測量結果來加以說明。圖4係顯示處理容器內之壓力與附著於晶圓表面之粒子數的關係之圖表。圖4中，橫軸係表示磁性退火步驟中之處理容器內之壓力(Pa)，縱軸係表示在磁性退火處理後附著於晶圓表面之粒子數(個)。
另外，圖4中，菱形標記係100片晶圓中附著有最多粒子之晶圓的粒子數(以下稱為「粒子數之最大值」)。又，圖4中，方形標記係附著於100片晶圓之粒子數的平均值(以下稱為「粒子數之平均值」)。另外，本實施形態中，係測量粒徑會較0.1μm要大之粒子數。
如圖4之菱形標記所示，藉由讓磁性退火步驟中之處理容器110內的狀態成為中真空或低真空，便可降低粒子數之最大值。具體而言，係藉由讓磁性退火步驟中之處理容器110內之壓力成為約10-1Pa，便可讓粒子數之最大值降低為相較於壓力為約10-5Pa之情況的一半以下。進一步地，藉由讓磁性退火步驟中之處理容器110內的壓力成為約3×102Pa，便可讓粒子數之最大值降低為相較於壓力為約10-5Pa之情況的1/10以下。又，藉由讓磁性退火步 驟中之處理容器110內的壓力成為約104Pa，便可讓粒子數之最大值降低為相較於壓力為約10-5Pa之情況的1/10以下。
又，如圖4之方形標記所示，藉由讓磁性退火步驟中之處理容器110內的狀態成為低真空，便可將粒子數之平均值降低到幾乎為零。
另外，使用實施例之磁性體膜所製造之MRAM的磁性特性會與使用比較例之磁性體膜所製造之MRAM的磁性特性相等。
如上述說明般，本實施形態的半導體裝置之製造方法會在將處理容器110內調整為高真空後，而調整為中真空或低真空，且處理容器110內會在中真空或低真空之狀態下來將磁場施加至晶圓W，以進行磁性退火處理。藉此，便可降低粒子附著於晶圓W表面。其結果，便會提升使用磁性體膜所製造之MRAM的產率。又，在進行磁性退火處理後，便不需要去除附著於晶圓W表面之粒子的工序。
[第2實施形態]
接著，便基於圖5就本實施形態的半導體裝置之製造方法的其他範例來加以說明。圖5係例示第2實施形態的半導體裝置之製造方法的時序圖。
本實施形態的半導體裝置之製造方法係不讓處理容器成為高真空，而在調整為中真空或低真空後，對晶圓所形成之磁性體膜進行磁性退火處理的點上，來與第1實施形態的半導體裝置之製造方法有所差異。
首先，將晶舟30搬入至處理容器110內(搬入步驟，未圖示)。晶舟30例如圖2(a)所示，係在前後方向具有既定間隔，而將複數晶圓W分別保持為垂直狀態。晶圓W係形成有預定之磁性體膜。
接著，排氣步驟S21中，係藉由真空泵來將處理容器110排氣，便可讓處理容器110內成為中真空或低真空。在排氣步驟S21中，係可在不從氣體供給管180來供給非活性氣體的狀態下來將處理容器110內排氣，亦可一邊從氣體供給管180來供給非活性氣體，一邊將處理氣體110內排氣。
如此般，本實施形態的半導體裝置之製造方法即便在排氣步驟S21中直接成為中真空或低真空，仍可降低粒子附著於晶圓W表面。
接著，調整步驟S22中，係在將處理容器110內維持為中真空或低真空的狀態下，來調整晶圓W之溫度以及處理容器110內之磁場。具體而言，係藉由調整加熱器120來將晶圓W之溫度調整為150℃~450℃。又，藉由調整 磁鐵200，來將處理容器110內之磁場調整為1T~7T。又，藉由調整壓力調整閥之開啟程度，便可將處理容器110內維持為中真空或低真空。又，調整步驟S22中，亦可藉由一邊從氣體供給管180來將既定流量之非活性氣體供給至處理容器110內，一邊將處理容器110內排氣，來將處理容器110內維持為中真空或低真空。
接著，磁性退火步驟S23中，係於將處理容器110內維持為中真空或低真空之狀態下，藉由對晶圓W所形成之磁性體膜進行磁性退火處理，來讓磁性體膜產生所欲磁性特性。具體而言，係在調整步驟S22中所調整的條件，亦即，處理容器110內為中真空或低真空，晶圓W之溫度為150℃~450℃，磁場為1T~7T的條件下，來對晶圓W進行1分鐘~120分鐘期間的磁性退火處理。藉此，相較於在將處理容器110內維持為高真空的狀態下來對晶圓W所形成之磁性體膜進行磁性退火處理的情況，便可降低粒子附著於晶圓W表面。
另外，晶舟30係於前後方向具有既定間隔而將複數晶圓W分別保持為垂直狀態。藉此，晶圓W之膜平面方向便會成為垂直於磁場方向的方向。因此，晶圓W所形成之磁性體膜便會相對於膜而在垂直方向被磁化。
又，如圖2(b)所示，在上下方向具有既定間隔而將複數晶圓W分別保持為水平狀態的情況，由於晶圓W之膜平面方向會成為平行於磁場方向的方向，故晶圓W所形成之磁性體膜便會在膜平面方向被磁化。
接著，降溫步驟S24中，係關閉加熱器120，並關閉磁鐵200。藉此，來讓晶圓W之溫度慢慢地降溫，且讓施加至晶圓W之磁場慢慢地變小。
接著，大氣開放步驟S25中，係藉由停止利用真空泵之處理容器110內的排氣，並從氣體供給管180來將非活性氣體供給至處理容器110內，來將處理容器110內大氣開放。在處理容器110內成為大氣壓後，將晶舟30從處理容器110內搬出。另外，大氣開放步驟S25會在藉由降溫步驟S24來讓晶圓W之溫度降溫為既定溫度後再開始。
由上述，便可讓晶圓W所形成之磁性體膜產生所欲磁性特性。
本實施形態的半導體裝置之製造方法係不讓處理容器110內成為高真空，而直接地調整為中真空或低真空，並在處理容器110內為中真空或低真空的狀態下來將磁場施加至晶圓W，以進行磁性退火處理。藉此，便可減 低粒子附著於晶圓W表面。其結果，便可提升使用磁性體膜所製造之MRAM的產率。又，在進行磁性退火處理後，不需要去除附著於晶圓W表面之粒子的工序。
特別是，由於本實施形態的半導體裝置之製造方法可省略將處理容器110內排氣為高真空之步驟，故可縮短處理所需要之時間。又，由於不需要將處理容器110內排氣為高真空之渦輪分子泵等的真空泵，故可將裝置簡略化。
根據本發明之實施形態，便可降低粒子附著於基板表面。
本次所揭露之實施形態應在所有的觀點上均為例示，而非為限制。實際上，上述實施形態係可以多樣的形態來實現。又，上述實施形態只要不超過添附之請求範圍及其主旨，亦可以各種形態來省略、置換、變更。本發明之範圍係企圖包含添附之申請專利範圍與其均等及範圍內的所有變更。
本揭露係基於2015年9月16日所提出之日本特許出願第2015-182659號的優先權之利益，而將該日本申請案之所有內容作為參照文獻而引用至此。

Claims (8)

  1. 一種半導體裝置之製造方法，係具有：將形成有磁性體膜之基板搬入至處理容器內之工序；將該處理容器內之壓力調整為較大氣壓要低的第1壓力之工序；將該處理容器內之壓力從該第1壓力調整至較該第1壓力要高之第2壓力的工序；在該第2壓力中，在加熱該磁性體膜的狀態下，來將磁場施加至該磁性體膜，以將該磁性體膜磁化的工序；讓該基板之溫度慢慢地降溫，且讓施加至該基板之磁場慢慢地變小的工序；以及藉由停止排氣，並將非活性氣體供給至該處理容器內，來將該處理容器內大氣開放的工序。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造方法，其中該第2壓力係0.1Pa~100kPa。
  3. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造方法，其中該第2壓力係100Pa~100kPa。
  4. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造方法，其中該第1壓力係10μPa~0.1Pa。
  5. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造方法，其係在將該磁性體磁化之工序中，將非活性氣體供給至該處理容器內。
  6. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造方法，其中該搬入工序會在藉由基板保持具來將該基板保持為垂直狀態的狀態下，將該基板搬入至該處理容器內。
  7. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造方法，其中該搬入工序會在藉由基板保持具來將該基板保持為水平狀態的狀態下，將該基板搬入至該處理容器內。
  8. 一種半導體裝置之製造方法，係具有：將形成有磁性體膜之基板搬入至處理容器內之工序；將該處理容器內之壓力調整為0.1Pa~100kPa之工序；在將處理容器內之壓力維持為0.1Pa~100kPa之狀態下，及在加熱該磁性體膜的狀態下，將磁場施加至該磁性體膜，以將該磁性體膜磁化之工序；讓該基板之溫度慢慢地降溫，且讓施加至該基板之磁場慢慢地變小的工序；以及藉由停止排氣，並將非活性氣體供給至該處理容器內，來將該處理容器內大氣開放的工序。
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