JP2018159123A - 基板処理装置、および半導体装置の製造方法 - Google Patents

基板処理装置、および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract


【課題】複数の基板間における膜厚のばらつきを抑制することが可能な基板処理装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、基板処理装置は、真空槽と、筒状部材と、ガス供給部材と、支持部材と、複数の板状部材と、を備える。筒状部材は、真空槽内に設けられ、ガス流出口を有する。ガス供給部材は、筒状部材内に配置される。支持部材は、筒状部材内で、積層状態の複数の処理基板を支持する。複数の板状部材は、複数の処理基板を挟む位置で支持部材に支持され、表面にパターンが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、基板処理装置、および半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置の成膜工程では、例えば、真空槽内に収容された複数の基板に対して処理ガスを同時に供給し、各基板に膜を形成する。このような成膜工程で用いられる基板処理装置は、複数の基板間におけるガスの流れを一様にするために、例えば、複数のガス供給口を有するガス供給部材や、複数の基板を収容する筒状部材などを備えている。
しかし、上記膜のパターンが複雑になって基板の表面積が大きくなると、ガス濃度が筒状部材内で不均一になる場合が想定される。この場合、複数の基板間で膜厚がばらつきやすくなる。
特開２０１６−１７８１３６号公報
本発明の実施形態は、複数の基板間における膜厚のばらつきを抑制することが可能な基板処理装置、および半導体装置の製造方法を提供する。
本実施形態に係る基板処理装置は、真空槽と、筒状部材と、ガス供給部材と、支持部材と、複数の板状部材と、を備える。筒状部材は、真空槽内に設けられ、ガス流出口を有する。ガス供給部材は、筒状部材内に配置される。支持部材は、筒状部材内で、積層状態の複数の処理基板を支持する。複数の板状部材は、複数の処理基板を挟む位置で支持部材に支持され、表面にパターンが設けられている。
第１実施形態に係る基板処理装置の断面図である。 筒状部材の平面図である。 第１実施形態に係る板状部材５０の平面図である。 （ａ）はパターン膜を有する板状部材の断面図であり、（ｂ）はパターン溝を有する板状部材の断面図である。 処理基板の断面図である。 第２実施形態に係る基板処理装置の断面図である。 第３実施形態に係る基板処理装置の断面図である。 第３実施形態に係る筒状部材をガス流入口側から見た斜視図である。 第３実施形態の変形例に係る筒状部材をガス流出口側から見た斜視図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る基板処理装置の断面図である。本実施形態に係る基板処理装置１は、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）型の成膜装置である。具体的には、基板処理装置１は、真空槽１０と、ガス供給部材２０と、筒状部材３０と、支持部材４０と、板状部材５０と、を備える。
真空槽１０は、ガス供給部材２０と、筒状部材３０とを収容する。また、真空槽１０は、排気口１１を有する。
ガス供給部材２０は、筒状部材３０内で処理ガス２００を吐出する。処理ガス２００は、複数の処理基板１００に形成される膜の材料を含んでいる。
図２は、筒状部材３０の平面図である。筒状部材３０は、ガス供給部材２０に対向するガス流出口３２を有する。ガス流出口３２は、例えば鉛直方向に延びるスリット状に形成されている。ガス供給部材２０から吐出された処理ガス２００は、ガス流出口３２から流出する。この筒状部材３０によって、複数の処理基板１００間で処理ガス２００の流れが、ある程度一様に保たれる。
図１に戻って、支持部材４０は、複数の処理基板１００と、複数のダミー基板１１０と、複数の板状部材５０と、を支持する。複数の処理基板１００および複数のダミー基板１１０は、積層された状態で支持部材４０に支持される。ダミー基板１１０は、最上層の処理基板１００の上と、最下層の処理基板１００の下で支持部材４０に支持されている。ダミー基板１１０によって、筒状部材３０内の温度が、ある程度均一に維持される。
板状部材５０は、図１に示すように、最上層の処理基板１００とダミー基板１１０との間に配置されるとともに、最下層の処理基板１００とダミー基板１１０との間に配置される。換言すると、板状部材５０は、複数の処理基板１００を挟む位置で支持部材４０に支持されている。
図３は、板状部材５０の平面図である。図３に示すように、支持部材４０は、三角形状に配置された３本の支柱を含む。板状部材５０は、各支柱に設けられた溝（不図示）で支持部材４０に支持される。また、処理基板１００およびダミー基板１１０も同様の形態で支持部材４０に支持される。
図４（ａ）は、パターン膜を有する板状部材５０の断面図である。図４（ｂ）は、パターン溝を有する板状部材５０の断面図である。板状部材５０は、例えば石英、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、またはシリコンを用いて形成される。
図４（ａ）に示すパターン膜５１は、スパッタ等の成膜方法で板状部材５０の表面に形成される。一方、図４（ｂ）に示すパターン溝５２は、エッチング等の方法で板状部材５０の表面に形成される。パターン膜５１またはパターン溝５２が設けられていると、板状部材５０の表面積は増加する。この場合、板状部材５０の表面積は、処理ガス２００の濃度の不均一を回避するために、処理基板１００の表面積と同等であることが望ましい。例えば、メモリセルを積層した三次元メモリが処理基板１００の表面に形成される場合、パターン膜５１の形状は、処理基板１００の表面に形成される膜と同じ形状であることが望ましい。同様に、複数のホールが処理基板１００の表面に形成されている場合には、パターン溝５２の形状は、ホールの形状と同じ形状であることが望ましい。
図５は、処理基板１００の断面図である。本実施形態では、上述した基板処理装置１を用いることによって、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）１０１とシリコン窒化膜（ＳｉＮ）１０２とが、シリコン基板１０３上に交互に形成される。以下、これらの成膜工程について簡単に説明する。
図１に示すように、板状部材５０、処理基板１００、およびダミー基板１１０を支持した支持部材４０が筒状部材３０内に搬送されると、シリコン酸化膜１０１の材料を含んだ処理ガス２００が、ガス供給部材２０から筒状部材３０内に供給される。その結果、シリコン酸化膜１０１が処理基板１００に形成される。その後、この処理ガス２００は、筒状部材３０から流出し、例えばポンプによって真空槽１０の排気口１１から外部に排気される。
次に、シリコン窒化膜１０２の材料を含んだ処理ガス２００が、同様にガス供給部材２０から筒状部材３０内に供給される。この処理ガス２００によって、シリコン窒化膜１０２がシリコン酸化膜１０１上に形成される。このように、複数種の処理ガス２００を交互に供給して、シリコン酸化膜１０１とシリコン窒化膜１０２とを交互に積層した積層膜を形成する。
処理ガス２００を用いて成膜する場合、ダミー基板１１０の表面積は、処理基板１００の表面積よりも小さいので、処理ガス２００の消費量は、処理基板１００とダミー基板１１０との間で異なる。その結果、処理基板１００の配置エリアと、ダミー基板１１０の配置エリアとの境界でガス濃度が不均一になる。仮に基板処理装置１が板状部材５０を備えていないと、処理ガス２００が処理基板１００の配置エリアに回り込む。その結果、複数の処理基板１００間で膜厚がばらつきやすくなる。
しかし、本実施形態では、板状部材５０は、ダミー基板１１０の配置エリアと処理基板１００の配置エリアとの境界に設けられている。また、板状部材５０の表面には、パターン膜５１またはパターン溝５２が設けられている。そのため、板状部材５０の表面積は、処理基板１００の表面積と同等になる。その結果、処理基板１００は、処理ガス２００の濃度差の影響を受けにくくなる。よって、複数の処理基板１００間における膜厚のばらつきを抑制することができる。
なお、処理基板１００に形成される膜は、シリコン酸化膜１０１とシリコン窒化膜１０２とを交互に積層した積層膜に限定されない。例えば、金属膜であってもよい。そのため、本実施形態では、パターン膜５１またはパターン溝５２の形状が異なる複数の板状部材５０を用意しておくことが望ましい。この場合、処理基板１００に形成される膜のパターンに応じて最適な板状部材５０、すなわち、処理基板１００と同等の表面積を有する板状部材５０を選択することができる。
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る基板処理装置の断面図である。ここでは、第１実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
本実施形態に係る基板処理装置２は、複数の板状部材５０の代わりに複数の板状部材６０を備える点で、第１実施形態と異なる。複数の板状部材６０は、複数のガス供給口２１に沿って並べられた状態で支持部材４０に支持されている。複数の板状部材６０上には、複数の処理基板１００および複数のダミー基板１１０がそれぞれ載置されている。
図６に示すように、各板状部材６０は、処理基板１００およびダミー基板１１０の外側に外周部を有する。換言すると、各板状部材６０の外径Ｄ１は、処理基板１００およびダミー基板１１０の外径Ｄ２よりも大きい。板状部材６０も、板状部材５０と同様に、例えば石英またはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いて形成される。なお、板状部材６０の表面には、第１実施形態で説明したパターン膜５１およびパターン溝５２が設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。
上述した基板処理装置２を用いた成膜工程においても、処理ガス２００が複数のガス供給口２１から複数の処理基板１００に同時に供給される。このとき、ダミー基板１１０と処理基板１００との表面積の差によって、処理ガス２００の濃度差が、ダミー基板１１０の配置エリアと処理基板１００の配置エリアとの間で発生し得る。この場合、処理ガス２００が処理基板１００の配置エリアに回り込んで複数の処理基板１００間で膜厚がばらつくことが懸念される。
しかし、本実施形態では、複数の板状部材６０が、処理基板１００間、およびダミー基板１１０間に設けられている。すなわち、各基板間の空間が板状部材５０によって仕切られている。そのため、処理ガス２００が回り込みにくくなるので、処理ガス２００は複数の板状部材６０に対して均等に供給される。その結果、膜厚のばらつきを抑制することができる。なお、本実施形態では、ガス供給部材２０が、筒状部材３０外に設置されているが、筒状部材３０内に設置されていてもよい。
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態に係る基板処理装置の断面図である。また、図８は、第３実施形態に係る筒状部材８０をガス流入口３１側から見た斜視図である。図８では、筒状部材８０内の一部を透視した状態で示している。図７および図８では、第２実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
本実施形態に係る基板処理装置３は、複数の板状部材５０の代わりに複数の環状部材７０を備える点で、第１実施形態と異なる。複数の環状部材７０は、図７に示すように、複数のガス供給口２１に沿って、筒状部材８０の内面に設けられている。また、複数の環状部材７０は、支持部材４０を囲んでいる。環状部材７０は、筒状部材８０と同じ材料、例えば石英を用いて形成される。なお、環状部材７０の表面には、第１実施形態で説明したパターン膜５１およびパターン溝５２が設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。
上述した基板処理装置３を用いた成膜工程においても、複数のガス供給口２１から供給された処理ガス２００は、ガス流入口３１から筒状部材８０内へ流入する。この処理ガス２００は、複数の処理基板１００間および複数のダミー基板１１０間を通過し、その後、ガス流出口３２から流出する。
筒状部材８０内では、ダミー基板１１０と処理基板１００との表面積の差によって、処理ガス２００の濃度差が、ダミー基板１１０の配置エリアと処理基板１００の配置エリアとの間で発生し得る。この場合、処理ガス２００が支持部材４０の外側から処理基板１００の配置エリアに回り込むことが懸念される。
しかし、本実施形態では、支持部材４０の外側には、複数の環状部材７０が設けられている。環状部材７０は、支持部材４０の外側から処理基板１００の配置エリアに回り込む処理ガス２００の流路を遮断する。したがって、処理ガス２００は複数の環状部材７０に対して均等に供給されるので、膜厚のばらつきを抑制することができる。
また、本実施形態では、図８に示すように、筒状部材８０は、スリット状のガス流入口３１を有する。ガス流入口３１の面積は、複数のガス供給口２１の面積よりも大きい。そのため、処理ガス２００は、複数のガス供給口２１からガス流入口３１に流入しやすくなる。その結果、処理ガス２００の利用効率を高めることができる。
なお、本実施形態では、支持部材４０と環状部材７０とのクリアランスＣが大きいと、環状部材７０は、処理ガス２００の回り込みを十分に阻止することができない。そのため、このクリアランスＣは、支持部材４０の昇降動作や回転動作を妨げない範囲内で最小限であることが望ましい。
（変形例）
図９は、第３実施形態の変形例に係る筒状部材８０をガス流出口３２側から見た斜視図である。図９は、筒状部材８０内の一部を透視した状態で示している。
図９に示すように、筒状部材８０は、スリット状のガス流出口３２を有する。筒状部材８０は、図７に示すように、真空槽１０内に設けられている。真空槽１０の側面の下部には、排気口１１が設けられている。その結果、ガス流出口３２の下部は排気口１１に近くに位置する一方で、ガス流出口３２の上部は排気口１１から離れている。そのため、ガス流出口３２の形状が、例えば、ガス流出口３２の上部と下部で面積が同じ場合、これらの間で処理ガス２００の排気量が不均一になる可能性が高い。
そこで、本変形例では、ガス流出口３２の面積は、下部から上部にかけて大きくなっている。すなわち、ガス流出口３２の面積は、排気口１１から離れるにつれて大きくなっている。これにより、処理ガス２００の不均一な排気を回避することができる。なお、本変形例は、第３実施形態だけでなく、第１実施形態および第２実施形態に適用することもできる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１０ 真空槽、１１ 排気口、２０ ガス供給部材、２１ ガス供給口、３０、８０ 筒状部材、３１ ガス流入口、３２ ガス流出口、４０ 支持部材、５０、６０ 板状部材、５１ パターン膜、５２ パターン溝、７０ 環状部材、１００ 処理基板、１０１ シリコン酸化膜、１０２ シリコン窒化膜、１１０ ダミー基板、２００ 処理ガス

Claims (7)

  1. 真空槽と、
    前記真空槽内に設けられ、ガス流出口を有する筒状部材と、
    前記筒状部材内に配置されたガス供給部材と、
    前記筒状部材内で、積層状態の複数の処理基板を支持する支持部材と、
    前記複数の処理基板を挟む位置で前記支持部材に支持され、表面にパターンが設けられた複数の板状部材と、を備える基板処理装置。
  2. 真空槽と、
    前記真空槽内に配置された複数のガス供給口を有するガス供給部材と、
    前記真空槽内に設けられ、ガス流入口およびガス流出口を有する筒状部材と、
    複数の処理基板がそれぞれ載置され、前記複数の処理基板の外側に外周部を有する複数の板状部材と、
    前記筒状部材内で前記複数のガス供給口に沿って配置される前記複数の板状部材を支持する支持部材と、を備える基板処理装置。
  3. 真空槽と、
    前記真空槽内に配置された複数のガス供給口を有するガス供給部材と、
    前記真空槽内に設けられ、ガス流入口およびガス流出口を有する筒状部材と、
    前記筒状部材内で前記複数のガス供給口に沿って配置される複数の処理基板を支持する支持部材と、
    前記筒状部材の内面に前記複数のガス供給口に沿って設けられ、前記支持部材を囲む環状部材と、を備える基板処理装置。
  4. 前記真空槽は、排気口を有し、
    前記ガス流出口の面積は、前記排気口から離れるにつれて大きくなっており、前記ガス流入口の面積は、前記複数のガス供給口の面積よりも大きい、請求項３に記載の基板処理装置。
  5. 真空槽と、前記真空槽内に設けられ、ガス流出口を有する筒状部材と、前記筒状部材内に配置されたガス供給部材と、を用いて半導体装置を製造する方法であって、
    積層状態の複数の処理基板を支持し、かつ、前記複数の処理基板を挟む位置で、表面にパターンが設けられた板状部材を支持した支持部材を前記筒状部材内に配置し、
    前記ガス供給部材から前記複数の処理基板を処理する処理ガスを供給し、その後、前記処理ガスを前記ガス流出口から前記真空槽の外へ排気する、半導体装置の製造方法。
  6. 前記支持部材が、前記処理基板の表面積よりも小さい表面積を有するダミー基板も支持し、
    前記処理基板と前記ダミー基板との間に前記複数の板状部材を配置する、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 複数種の前記処理ガスを交互に供給して、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを交互に前記複数の処理基板に同時に形成する、請求項５または６に記載の半導体装置の製造方法。
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