(57)【要約】【課題】  成膜時において、成膜チャンバへの有機系異物の混入を抑制し、成膜後の欠陥密度を低減することができる成膜方法及び成膜装置を提供するものである。【解決手段】  ウェハ１０を保持したカセット１１を設置するためのロードロック１２と、ウェハ１０上に薄膜を形成するための成膜チャンバ１７と、ロードロック１２から成膜チャンバ１７へウェハ１０を搬送するアーム１５とを備え、ロードロック１２にはロードロック内の雰囲気中の有機物の分圧を測定するための質量分析器１４が設置されている。成膜方法において、最初にウェハ１０を保持したカセット１１が設置されたロードロック１２内の雰囲気を排気する。この排気において、ロードロック１２内の雰囲気中の有機物の分圧が７．５×１０−５ｍＴｏｒｒ以下になるまで排気を行う。そして、ウェハ１０を成膜チャンバ１７に搬送し、薄膜を成膜する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェハを保持したカセットが設置されたロードロック内の雰囲気を排気する工程（ａ）と、
前記工程（ａ）の後に前記ウェハを成膜チャンバに搬送する工程（ｂ）と、
前記工程（ｂ）の後に前記ウェハ上に薄膜を成膜する工程（ｃ）とを含み、
前記工程（ａ）ではロードロック内の雰囲気中の有機物の分圧が、前記ロードロックに前記カセットが入っていない状態で排気したときの有機物の分圧になるまで排気を行うことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記カセットが入っていない状態で排気したときの有機物の分圧は、７．５×１０−５ｍＴｏｒｒ以下である請求項１記載の成膜方法。
【請求項３】
前記有機物の成分が、環状シロキサン（Ｄ３、Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９、Ｄ１１、Ｄ１２）、２−エチル−１−ヘキサノール、イソプロペニルアセトフェン、グリコールエステル及びフタル酸ジ−ｎ−ブチル（ＤＢＰ）のうち、少なくとも１つを含む請求項１または２記載の成膜方法。
【請求項４】
ウェハを保持したカセットを設置するためのロードロックと、
前記ウェハ上に薄膜を形成するための成膜チャンバと、
前記ロードロックから前記成膜チャンバへ前記ウェハを搬送するアームとを備え、
前記ロードロックには前記ロードロック内の雰囲気中の有機物の分圧を測定するための質量分析器が設置されていることを特徴とする成膜装置。
【請求項５】
前記ロードロックは、前記質量分析器にて測定した有機物の分圧が７．５×１０−５ｍＴｏｒｒ以下になるまで真空引き可能とした請求項４記載の成膜装置。
【請求項６】
前記カセットの材質は金属である請求項４または５記載の成膜装置。
【請求項７】
前記有機物の成分が、環状シロキサン（Ｄ３、Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９、Ｄ１１、Ｄ１２）、２−エチル−１−ヘキサノール、イソプロペニルアセトフェン、グリコールエステル及びフタル酸ジ−ｎ−ブチル（ＤＢＰ）のうち少なくとも１つを含む請求項３，４または５記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の金属膜として用いられる薄膜及び絶縁膜として用いられる薄膜の成膜方法および成膜装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路装置の高集積化、高機能化及び高速化に伴って、半導体内の配線の微細化、薄膜化が著しい。そのため、配線抵抗の低減やストレスマイグレーション、エレクトロマイグレーション向上等を課題に掲げているものもある（例えば、特許文献１参照）。一方、薄膜形成技術には、有機汚染が原因で薄膜形成不良が生じるという課題があり、前記有機汚染の低減が急務である。
【０００３】
以下図面を参照しながら従来の成膜方法及び成膜装置の一例について説明する。
【０００４】
図５は従来の成膜方法及び成膜チャンバの概要を示す図である。図６は成膜装置全体の概要を示す図である。
【０００５】
図５において、マグネトロンスパッタチャンバ５１内部の上部にアルミニウム合金ターゲット５２が取り付けられている。配線用金属薄膜を形成するために半導体基板であるウェハ５４をマグネトロンスパッタチャンバ５１内部にアルミニウム合金ターゲット５２に対向するように設置している。
【０００６】
また、フランジ５５は、マグネトロンスパッタチャンバ５１と残留ガス分析装置であるＲＧＡ装置５３とを接続する。このＲＧＡ装置５３は、マグネトロンスパッタチャンバ５１内部の不純物や不純物ガス圧を評価するものである。
【０００７】
次に、図６において、ＰＥＥＫ材から形成されているＰＥＥＫカセット６１は、スパッタ処理前及び処理後のウェハ５４を保持している。高真空に保たれたマグネトロンスパッタチャンバ５１に大気中からウェハ５４を搬送するためにロードロック６２の真空引きを真空ポンプ６４で行う。なお、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）は、優れた耐薬品性、耐熱性に加え、高強度な樹脂である。元々、テフロン（登録商標）カセットを使用していたが、帯電性の問題が有りＰＰ(ポリプロピレン)カセットが用いられていた。しかしＰＰは耐熱性に問題があり、現在はＰＥＥＫカセットを用いている。
【０００８】
以上のように構成された成膜方法及び成膜装置について説明する。
【０００９】
まず、ＰＥＥＫカセット６１をロードロック６２内に搬入し、真空ポンプ６４により高真空になるまで真空引きし、ウェハ５４をマグネトロンスパッタチャンバ５１内へ搬送する。次に、ウェハ５４上にスパッタリング法でアルミニウム合金からなる膜を形成する際、スパッタリング成膜中のアルゴンガス中に含有する窒素および酸素の、スパッタリングガス全体に対する分圧比が各々約５１ｐｐｍ以下、約１１ｐｐｍ以下になるように、ＲＧＡ装置５３を使用して制御して、アルミニウム合金からなる膜を形成する。あるいはウェハ５４上のアルミニウム合金からなる膜中に含有する窒素、酸素、水素が、膜全体に対して各々約０．００３原子％以下、約０．０１原子％以下、約０．００６原子％以下になるように制御して形成する。
【特許文献１】特開２０００−７７３５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の成膜方法及び成膜装置では、ロードロック内に有機成分が持ち込まれた場合に、成膜工程において成膜前のウェハまたは成膜処理後に形成された薄膜上に有機系異物が付着し、前記薄膜と前記有機系異物が反応し、薄膜が所望の膜と異なる物質に変化する。その結果、前記成膜工程後に実施するエッチング工程または洗浄工程において所望の薄膜除去が出来ずに、前記薄膜がメタル薄膜の場合は、配線不良やゲート形成不良が発生し、前記薄膜が絶縁膜の場合は配線間の絶縁不良を起こし欠陥密度が高くなってしまうという問題点を有していた。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、成膜チャンバ外からの有機系異物の持ち込みによる汚染の低減、さらに半導体基板運搬カセットから発生する有機系異物を低減することができる成膜方法及び成膜装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する為に、本発明の請求項１記載の成膜方法は、ウェハを保持したカセットが設置されたロードロック内の雰囲気を排気する工程（ａ）と、前記工程（ａ）の後に前記ウェハを成膜チャンバに搬送する工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）の後に前記ウェハ上に薄膜を成膜する工程（ｃ）とを含み、前記工程（ａ）ではロードロック内の雰囲気中の有機物の分圧が、前記ロードロックに前記カセットが入っていない状態で排気したときの有機物の分圧になるまで排気を行う。
【００１３】
請求項２記載の成膜方法は、請求項１記載の成膜方法において、前記カセットが入っていない状態で排気したときの有機物の分圧は、７．５×１０−５ｍＴｏｒｒ以下である。
【００１４】
請求項３記載の成膜方法は、請求項１または２記載の成膜方法において、前記有機物の成分が、環状シロキサン（Ｄ３、Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９、Ｄ１１、Ｄ１２）、２−エチル−１−ヘキサノール、イソプロペニルアセトフェン、グリコールエステル及びフタル酸ジ−ｎ−ブチル（ＤＢＰ）のうち、少なくとも１つを含む。
【００１５】
請求項４記載の成膜装置は、ウェハを保持したカセットを設置するためのロードロックと、前記ウェハ上に薄膜を形成するための成膜チャンバと、前記ロードロックから前記成膜チャンバへ前記ウェハを搬送するアームとを備え、前記ロードロックには前記ロードロック内の雰囲気中の有機物の分圧を測定するための質量分析器が設置されている。
【００１６】
請求項５記載の成膜装置は、請求項４記載の成膜装置において、前記ロードロックは、前記質量分析器にて測定した有機物の分圧が７．５×１０−５ｍＴｏｒｒ以下になるまで真空引き可能とした。
【００１７】
請求項６記載の成膜装置は、請求項４または５記載の成膜装置において、前記カセットの材質は金属である。
【００１８】
請求項７記載の成膜装置は、請求項４，５または６記載の成膜装置において、前記有機物の成分が、環状シロキサン（Ｄ３、Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９、Ｄ１１、Ｄ１２）、２−エチル−１−ヘキサノール、イソプロペニルアセトフェン、グリコールエステル及びフタル酸ジ−ｎ−ブチル（ＤＢＰ）のうち少なくとも１つを含む。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の請求項１記載の成膜方法によれば、工程（ａ）ではロードロック内の雰囲気中の有機物の分圧が、ロードロックにカセットが入っていない状態で排気したときの有機物の分圧になるまで排気を行うので、ロードロックで有機系異物を除去し、成膜室への有機系異物の持ち込みを防ぐことができる。これにより、常時ウェハ表面は有機系異物に暴露されていない状態に保たれるため、所望の薄膜を形成でき、欠陥密度を低減することができる。
【００２０】
請求項２では、請求項１記載の成膜方法において、カセットが入っていない状態で排気したときの有機物の分圧は、７．５×１０−５ｍＴｏｒｒ以下であるので、この圧力以下にすることが好ましい。
【００２１】
請求項３では、請求項１または２記載の成膜方法において、有機物の成分が、環状シロキサン（Ｄ３、Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９、Ｄ１１、Ｄ１２）、２−エチル−１−ヘキサノール、イソプロペニルアセトフェン、グリコールエステル及びフタル酸ジ−ｎ−ブチル（ＤＢＰ）のうち、少なくとも１つを含むことが有効である。
【００２２】
本発明の請求項４記載の成膜装置によれば、ロードロックにはロードロック内の雰囲気中の有機物の分圧を測定するための質量分析器が設置されているので、ロードロック内の有機物の分圧が所定の圧力以下であるとき、ウェハを成膜チャンバに搬送することができる。これにより、成膜チャンバへの有機系異物の持ち込みを防ぐことができ、請求項１と同様の効果が得られる。
【００２３】
請求項５では、請求項４記載の成膜装置において、ロードロックは、質量分析器にて測定した有機物の分圧が７．５×１０−５ｍＴｏｒｒ以下になるまで真空引き可能とすることが好ましい。
【００２４】
請求項６では、請求項４または５記載の成膜装置において、カセットの材質は金属であるので、有機系異物の発生を抑制することができる。
【００２５】
請求項７では、請求項４，５または６記載の成膜装置において、有機物の成分が、環状シロキサン（Ｄ３、Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９、Ｄ１１、Ｄ１２）、２−エチル−１−ヘキサノール、イソプロペニルアセトフェン、グリコールエステル及びフタル酸ジ−ｎ−ブチル（ＤＢＰ）のうち少なくとも１つを含むことが有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に本発明の実施の形態について図１〜図４に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態の成膜装置であって、スパッタリングによる膜堆積を様々な不純物ガスの存在下で行うためのコバルトスパッタリング装置の概略図である。
【００２７】
図１に示すように、ウェハ１０を保持したカセット１１を設置するためのロードロック１２と、ウェハ１０上に薄膜を形成するための成膜チャンバ１７と、ロードロック１２から成膜チャンバ１７へウェハ１０を搬送するアーム１５とを備えている。また、ロードロック１２にはロードロック１２内の雰囲気中の有機物の分圧を測定するためのＱ−ＭＡＳＳ（質量分析器）１４が設置されている。
【００２８】
本実施の形態で使用するウェハ１０は、直径８インチの円盤状のシリコン基板である。メタルカセット１１は、ウェハ１０を２５枚程度収納することができる。ロードロック１２は、搬送ポッドより移載したメタルカセット１１を収納し、所望の圧力まで真空引きを可能とする。真空ポンプ１３は、ロードロック１２及び搬送チャンバ１６及びウェハ成膜チャンバ１７を真空にする。Ｑ−ＭＡＳＳ１４は、ロードロック１２に接続されロードロック１２中の気体の有機成分分析を行い、ウェハ搬送制御を行う。ロボットアーム１５は、搬送チャンバ１６中にあり、ウェハ１０を保持し、所望のユニットに搬送する。搬送チャンバ１６は、ロードロック１２と成膜チャンバ１７間でロボットアーム１５を使用し、ウェハ１０の搬送を行う。成膜チャンバ１７は、ウェハ１０に所望の薄膜を堆積する。ロードロック１２は大気開放可能で、装置外部よりウェハカセット１１を搬入できる。またロードロック１２、搬送チャンバ１６、成膜チャンバ１７間は、開閉可能なシャッターで真空分離されている。
【００２９】
なお、本図は装置の概略を示すもので、真空ポンプ数、チャンバ数、配管経路等は簡略化して記載している。
【００３０】
本発明者らは、種々の実験の結果、コバルトまたはその合金膜の形成不良による欠陥が、ロードロック内で発生している有機系異物に依存していることを見出した。本発明はこの知見に基づいて得られたものである。
【００３１】
第一の実験として、図１の半導体製造装置を用いて、一般的に用いられている樹脂製カセットとしてＰＥＥＫカセットから発生している有機系異物の測定を行った。まず従来用いられていたＰＥＥＫカセットをロードロック１２内に搬入し、真空ポンプ１３により真空引きし、前記真空ポンプ１３による真空引きを止めた状態で５分間の有機物の分圧（ＡＭＵ５０〜１５０）をＱ−ＭＡＳＳ１４を用いて測定した。次にロードロック１２にカセットを入れず、真空ポンプ１３により真空引きし、前記真空ポンプ１３による真空引きを止めた状態で５分間の有機物の分圧（ＡＭＵ５０〜１５０）をＱ−ＭＡＳＳ１４を用いて測定した。これらの結果を図２に示す。図２より前記ロードロック１２に前記ＰＥＥＫカセットが入っている状態では、前記ロードロック１２にＰＥＥＫカセットが入っていない状態に対して、有機物の分圧が上昇している。つまりＰＥＥＫカセットから少なくとも７．５×１０−５ｍＴｏｒｒ以上の有機物の脱ガスが起こっていることがわかる。
【００３２】
以上の結果より、本発明の実施の形態は本装置のロードロック内を真空引きした際にカセットより発生する有機物の分圧が７．５×１０−５ｍＴｏｒｒ以下であるときウェハを搬送可能とする形態である。
【００３３】
第二の実験として、図１の半導体製造装置を用いて、ＰＥＥＫカセットとメタルカセット１１より発生している有機物量を測定した。第一のウェハ１０を挿入したＰＥＥＫカセットをロードロック１２内に搬入し、真空ポンプ１３により真空引きし、その後、ロードロック１２を大気圧に戻した後、第一のウェハ１０の表面有機物の量を、ＩＮ−ＳＩＴＵ質量分析器を用いて測定した。次に、第二のウェハ１０を挿入したメタルカセット１１をロードロック１２内に搬入し、真空ポンプ１３により真空引きし、その後、ロードロック１２を大気圧に戻した後、第二のウェハ１０の表面有機物付着量をＩＮ−ＳＩＴＵ質量分析器を用いて測定した。ＩＮ−ＳＩＴＵ質量分析器を用いて測定した第一のウェハ１０と第二のウェハ１０の測定結果を図３に示す。
【００３４】
図３より、ＰＥＥＫカセットの表面より、環状シロキサン（Ｄ３、Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９、Ｄ１１、Ｄ１２）、２−エチル−１−ヘキサノール、イソプロペニルアセトフェン、グリコールエステル、フタル酸ジ−ｎ−ブチル（ＤＢＰ）等の有機物質が脱ガスし、第一のウェハ１０の表面に付着していることがわかる。一方メタルカセット１１から第二のウェハ１０への付着は、環状シロキサン（Ｄ３）、２−エチル−１−ヘキサノールは各々０．０４ｎｇ／ｃｍ２以下、環状シロキサン（Ｄ７、Ｄ８、Ｄ９、Ｄ１１、Ｄ１２）、イソプロペニルアセトフェン、グリコールエステル、フタル酸ジ−ｎ−ブチル（ＤＢＰ）は各々０．０１ｎｇ／ｃｍ２以下に抑えられていることがわかる。
【００３５】
有機物量の総量を比較すると、ＰＥＥＫカセット使用時では約１．３０ｎｇ／ｃｍ２の有機物量が発生するのに対し、メタルカセット１１使用時では約０．０７ｎｇ／ｃｍ２と、ＰＥＥＫカセット使用時に対しメタルカセット１１を用いた第二のウェハ１０に付着する有機物量が大幅に低減されたことが分かる。
【００３６】
上記第二の実験と同じ条件下でＰＥＥＫカセットを用いた場合と、メタルカセット１１を用いた場合のトランジスタ欠陥密度の比較を行った。
【００３７】
まずゲート長１００ｎｍ程度のトランジスタゲートを形成した第三のウェハ１０をＰＥＥＫカセットに挿入し、ロードロック１２に搬入後、真空ポンプ１３により真空排気を行う。その後、第三のウェハ１０は搬送チャンバ１６を経て、成膜チャンバ１７内に搬送される。成膜チャンバ１７内で第三のウェハ１０は、アルゴンガス雰囲気中でスパッタリングによりウェハ表面にコバルト膜を堆積される。その後、第三のウェハ１０は、搬送チャンバ１６を経由しロードロック１２内のＰＥＥＫカセットに戻される。その後、第三のウェハ１０は、トランジスタ形成及び、配線形成され、検査装置でトランジスタの欠陥密度を計測される。
【００３８】
次に第三のウェハ１０と同じゲート長１００ｎｍ程度のトランジスタゲートを形成した第四のウェハ１０をメタルカセット１１に挿入し、ロードロック１２に搬入後、真空ポンプ１３により真空排気を行う。その後、第四のウェハ１０は、搬送チャンバ１６を経て、成膜チャンバ１７内に搬送される。成膜チャンバ１７内で第四のウェハ１０は第三のウェハ１０と同一の条件でアルゴンガス雰囲気中でスパッタリングによりウェハ表面にコバルト膜を堆積される。その後、第四のウェハ１０は搬送チャンバ１６を経由しロードロック１２内のメタルカセット１１に戻される。その後、第四のウェハ１０は第三のウェハ１０と同一条件でトランジスタ形成及び、配線形成され、検査装置でトランジスタの欠陥密度を計測される。
【００３９】
第三のウェハ１０と第四のウェハ１０の欠陥密度計測結果を図４に示す。この図より分かるように、ＰＥＥＫカセットでは欠陥密度は０．２６ｃｍ−２であるのに対してメタルカセット１１では欠陥密度は０．１２ｃｍ−２と約５３．８％低減されている。この結果は、有機系異物がウェハ表面のコバルト膜と反応し、成膜形成不良を起こしたためトランジスタの欠陥が発生することを示しており、有機物パーティクル低減により所望の薄膜が形成された場合は欠陥密度が低減することを示している。
【００４０】
以上述べたように、メタルカセットを用いロードロックを真空状態にすれば、有機物コンタミネーションが０．０７ｎｇ／ｃｍ２以下へ低減されるため、欠陥密度の小さい半導体装置の製造が可能である。以上よりウェハ表面に付着している有機系異物の量が０．０７ｎｇ／ｃｍ２以下であることが本発明を実施する最良の形態である。
【００４１】
以上の実験結果より、本発明の実施の形態で用いる成膜方法及び成膜装置の最良の形態は、装置のロードロック１２に真空引き可能なポンプ１３を設置し、またロードロック１２内にウェハ１０を搬入するカセットにはメタルカセット１１を用いている形態である。さらに、ロードロック１２を真空引きした際の有機物の分圧を７．５×１０−５ｍＴｏｒｒ以下になるまでウェハ１０を成膜チャンバ１７へと搬送されないように制御し、ウェハ表面に付着している有機系異物の量が０．０７ｎｇ／ｃｍ２以下にすることである。
【００４２】
以下本発明の実施の形態の成膜方法について、具体的に説明する。図１において、ウェハ１０の入ったメタルカセット１１をロードロック１２に搬入し、前記ロードロック１２内を真空ポンプ１３で高真空状態にする。前記ロードロック１２が高真空状態になるとＱ−ＭＡＳＳ１４により前記ロードロック１２内のガスの分圧が測定される。前記Ｑ−ＭＡＳＳ１４の測定結果によりウェハ１０はロボットアーム１５により搬送チャンバ１６へ搬送する。ロボットアーム１５によって搬送チャンバ１６へ搬送されたウェハ１０は成膜チャンバ１７へ搬送され、所望の薄膜が堆積される。
【００４３】
本実施の形態では、装置のロードロック１２内を真空状態にした後、前記ロードロック１２内の分圧をＱ−ＭＡＳＳ１４により測定し、有機系コンタミネーションに当たるＡＭＵの分圧が７．５×１０−５ｍＴｏｒｒ以下になるまでロードロック１２内の雰囲気を排気し、ウェハ１０を成膜チャンバ１７へと搬送されないように制御するものである。
【００４４】
なお、装置のロードロック内圧力を真空引きした際に、ウェハ運搬用カセットより発生する有機系コンタミネーションとなる脱ガスを防ぐため、メタルカセットを用いているが、ウェハ表面に付着する有機物コンタミネーション量０．０７ｎｇ／ｃｍ２以下の材料で形成されていれば、材質にこだわらない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明にかかる成膜方法及び成膜装置は、ロードロック内の有機系異物を低減し、半導体装置に形成された薄膜の欠陥密度を低減させるという効果を有し、半導体製造に用いられる成膜方法及び成膜装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態におけるスパッタ装置の概略を示す図である。
【図２】ロードロック内の有機成分の分圧の時間変化を示す図である。
【図３】各カセットでの有機系パーティクル量を示す図である。
【図４】各カセットでの欠陥密度を示す図である。
【図５】従来の成膜チャンバの断面を示す図である。
【図６】従来の成膜装置の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  ウェハ
１１  メタルカセット
１２  ロードロック
１３  真空ポンプ
１４  Ｑ−ＭＡＳＳ
１５  ロボットアーム
１６  搬送チャンバ
１７  成膜チャンバ
５１  マグネトロンスパッタチャンバ
５２  アルミニウム合金ターゲット
５３  ＲＧＡ装置
５４  ウェハ
５５  フランジ
６１  ＰＥＥＫカセット
６２  ロードロック
６４  真空ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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