JP2020021822A - 基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリカの析出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、リン酸溶液を貯留する処理槽と、蒸気生成部と、水蒸気を蒸気生成部から処理槽へ導入する配管と、を備える。処理槽では、シリコンを含む膜を有する基板がリン酸溶液に浸漬される。蒸気生成部は、水蒸気を生成する。配管は、水蒸気を含む気泡をリン酸溶液内に放出する。【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。
半導体装置の製造工程には、基板上に積層された複数種の膜のうちのいずれかを、リン酸溶液を用いて選択的にエッチングする工程がある。このエッチングの際に、シリカが基板に析出してしまう場合がある。
シリカの析出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、基板処理装置は、リン酸溶液を貯留する処理槽と、蒸気生成部と、水蒸気を蒸気生成部から処理槽へ導入する配管と、を備える。処理槽では、シリコンを含む膜を有する基板がリン酸溶液に浸漬される。蒸気生成部は、水蒸気を生成する。配管は、水蒸気を含む気泡をリン酸溶液内に放出する。
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。
図1は、一実施形態に係る基板処理装置の構成を概略的に示す図である。本実施形態に係る基板処理装置1は、複数の基板200の各々に形成されたシリコン窒化膜(図1では不図示)を、リン酸溶液300で一括して選択的にエッチングするバッチ式のウェットエッチング処理装置である。図1に示す基板処理装置1は、処理槽11と、循環路12と、ポンプ13と、加熱部14と、フィルタ15と、投入部16と、センサ17と、搬送機構18と、蒸気生成部19と、配管20と、流量計21と、を備える。
処理槽11は、内槽111および外槽112を有する。内槽111は、上端開口111aを有する箱形状に形成されている。内槽111は、例えば160℃のリン酸溶液300を貯留する。リン酸溶液300にウェハ状(円形状)の基板200を浸漬すると、基板200に形成されたシリコン窒化膜が、リン酸溶液300に溶解して除去される。
外槽112は、内槽111の上端開口111aを全周にわたって包囲する上端開口112aを有する。外槽112は、内槽111の上端開口111aからオーバーフローしたリン酸溶液300を回収する。
循環路12は、外槽112の底部および内槽111の底部に連通して、内槽111と外槽112との間でリン酸溶液300を循環させる。外槽112に流出したリン酸溶液300は、循環路12を通じて内槽111に還流される。循環路12には、ポンプ13、加熱部14、およびフィルタ15が設けられている。
ポンプ13は、外槽112からリン酸溶液300を吸引し、吸引したリン酸溶液300を加圧する。これにより、外槽112に回収されたリン酸溶液300が内槽111へ戻る。リン酸溶液300は、内槽111へ戻る途中で加熱部14によって加熱される。
加熱部14は、例えば、ハロゲンランプを熱源とするラインヒータである。本実施形態では、加熱部14は、循環路12を流れるリン酸溶液300を、予め設定された温度(例えば、160℃)に加熱する。加熱部14で加熱されたリン酸溶液300は、フィルタ15を介して内槽111に戻る。
フィルタ15は、循環路12内のリン酸溶液300に含まれたパーティクルを除去する。このパーティクルには、例えば、基板200のエッチング処理によって析出したシリカも含まれる。
投入部16は、外槽112の上方に配置されている。投入部16は、センサ17の検出結果に基づいて、水400を外槽112へ投入する。水400は、外槽112に回収されたリン酸溶液300とともに循環路12を通じて内槽111に流入する。
内槽111に貯留されたリン酸溶液300の温度は、水の沸点よりも高い160℃に調整されている。そのため、リン酸溶液300に含まれる水分が、経時的に蒸発するので、リン酸濃度が上昇する。投入部16から投入される水400は、リン酸濃度の上昇を抑制するために用いられる。これにより、シリコン窒化膜の選択的なエッチングに最適なリン酸濃度に調整できる。
センサ17は、内槽111に貯留されたリン酸溶液300のリン酸の比重とリン酸濃度との少なくとも一方を検出し、検出結果を投入部16へ出力する。センサ17で検出された比重またはリン酸濃度が基準値を超えると、投入部16は、水を外槽112へ投入する。
センサ17には、例えば圧力センサおよび光センサを適用できる。この圧力センサが、内槽111におけるリン酸溶液300の圧力を検出することによって、リン酸溶液300のリン酸の比重を求めることができる。また、上記光センサの発光素子がリン酸溶液300に光を照射したときの受光素子の受光量に基づいて、リン酸溶液300のリン酸濃度を求めることができる。
図2は、内槽111の内部を示す概略図である。図2に示すように、内槽111では、搬送機構18が、列状に並べられた複数の基板200を保持している。また、搬送機構18は、保持した基板200を内槽111に対して鉛直方向に昇降させる。この昇降動作によって、エッチング処理前の基板200を、内槽111に貯留されたリン酸溶液300に自動的に浸漬させることができるとともに、エッチング処理後の基板200を、内槽111から自動的に取り出すことができる。
図1に戻って、蒸気生成部19は、水蒸気を生成する。生成した水蒸気は、配管20を通じて内槽111に導入される。このとき、この水蒸気を含む気泡500が内槽111に貯留されたリン酸溶液300に発生する。
本実施形態では、蒸気生成部19で生成された水蒸気は、例えば窒素ガス等の不活性ガス600によって配管20内を移動する。不活性ガス600は、蒸気生成部19の外部から導入される。また、配管20には流量計21が設けられている。流量計21の計測結果は、蒸気生成部19の内部温度を調整する温度調整部191に入力される。
温度調整部191は、流量計21の計測結果に基づいて不活性ガス600の温度を調整する。流量計21で計測される流量は、配管20内における水蒸気の流速に換算できる。そのため、不活性ガス600の温度を調整することによって、配管20内における水蒸気の流速を制御することができる。
また、本実施形態では、蒸気生成部19の内部圧力は、圧力調整部192によって調整できる。そのため、温度調整部191および圧力調整部192が蒸気生成部19の内部温度及び内部圧力を調整することによって、蒸気生成部19は、飽和蒸気または過熱蒸気を生成することができる。
図3は、配管20の構造を概略的に示す斜視図である。配管20は、蒸気生成部19で生成された水蒸気を内槽111まで導く。配管20の外周面には、複数の開口部20aが列状に設けられている。開口部20aは、基板200に対して、基板200の列方向(水平方向)にずれてほぼ等間隔に配置されている。そのため、蒸気生成部19で生成された水蒸気が各開口部20aから吐出されたとき、内槽111の底部から基板200の間を通過する気泡500が発生する。気泡500の発生状態は、配管20を流れる水蒸気の流速等で制御することができる。
以下、図4、5を参照して、本実施形態に係る基板処理装置1を用いた半導体装置の製造方法について説明する。具体的には、電極層が積層された3次元半導体記憶装置の製造工程の一部について説明する。
図4は、エッチング処理前の基板200の断面図である。図4に示すように、基板200上には積層体210が形成されている。積層体210では、シリコン酸化膜201とシリコン窒化膜202とが交互に積層されている。シリコン酸化膜201およびシリコン窒化膜202は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)装置またはALD(Atomic Layer Deposition)装置で形成される。また、積層体210は、溝203によって分断されている。溝203は、例えばRIE(Reactive Ion Etching)装置で形成される。
積層体210および溝203が形成された基板200を、搬送機構18を用いて内槽111に貯留されたリン酸溶液300に浸漬させると、リン酸溶液300が溝203から積層体210内に浸入する。その結果、図5に示すように、シリコン窒化膜202がエッチングされる。
このエッチングでは、メモリ容量の増大に伴ってシリコン窒化膜202の数が増加すると、リン酸溶液300内に溶解するシリコン窒化膜202の量が増加する。この場合、リン酸溶液300内に溶解するシリカ量が増加するので、シリカが溝203内で析出しやすくなる。
そこで、本実施形態では、気泡500が、配管20からリン酸溶液300内に放出される。これにより、基板200表面におけるリン酸溶液300の流れが加速されるので、溝203内に析出したシリカの排出が促進される。気泡500の数または体積を増やすと、シリカの排出効果を高めることができる。
ここで、例えば、常温(例えば25℃)の不活性ガスで気泡を生成して高温のリン酸溶液300内に放出しても、シリカの排出が促進される。しかし、シリカの排出効果を高めるために気泡の数を増やすと、リン酸溶液300の温度が低下するので、却ってシリカが析出しやすくなる。また、不活性ガス気泡と基板200(ウェハ)との接触界面における温度が低下し、不活性ガス気泡がリン酸溶液300中の水分を吸湿することによってシリカが析出しやすくなる。
一方、本実施形態では、気泡500が水蒸気を含んでいる。そのため、多くの気泡500を放出しても、リン酸溶液300の温度低下を抑制できる。よって、シリカの析出も抑制することができる。すなわち、本実施形態では、リン酸溶液300と同一温度またはリン酸溶液300よりも高温の水蒸気による温度アシストで得られる析出抑制効果と、吸湿ではなく水の供給加速で得られるシリカ析出抑制効果との二つの効果を奏する。さらに、循環路12を通じてフレッシュなリン酸と水を内槽111に送り込むことによって、内槽111のリン酸溶液300の流速が向上し、フレッシュなリン酸溶液300に置換されるので、シリカの排出効果を高めることができる。なお、内槽111におけるリン酸溶液300の温度の平衡状態を維持するためには、蒸気生成部19は、リン酸溶液300の温度(例えば160℃)で水蒸気を生成することが望ましい。
上述したシリコン窒化膜202のエッチングが終了すると、搬送機構18によって基板200は、内槽111から搬出される。その後、図6に示すように、電極膜204がシリコン窒化膜202の除去箇所に形成される。さらに、電子を保持可能なメモリ部205が溝203内に形成される。電極膜204およびメモリ部205は、CVD(Chemical Vapor Deposition)装置またはALD(Atomic Layer Deposition)装置で形成される。
以上説明した本実施形態によれば、基板200を浸漬した高温のリン酸溶液300内に、水蒸気を含む気泡500が放出される。この気泡500は、リン酸溶液300の温度低下およびリン酸濃度上昇を抑制しつつ、リン酸溶液300の流れを加速する。これにより、シリコン酸化膜201に対してシリコン窒化膜202を選択的にエッチングするときに、シリカの析出を抑制することが可能となる。その結果、基板処理装置1を用いて3次元半導体記憶装置を製造するときに、製造歩留りを向上させることができる。
なお、センサ17が、リン酸溶液300のリン酸の比重を検出する圧力センサとして機能する場合、多くの気泡500がリン酸溶液300内に放出されると、気泡500の圧力の影響を受ける可能性がある。この場合、検出精度が低下するおそれがある。そのため、多くの気泡500をリン酸溶液300内に放出する場合には、センサ17は、リン酸溶液300のリン酸濃度を直接的に検出する光センサであることが望ましい。
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。
11 処理槽、12 循環路、13 ポンプ、14 加熱部、16 投入部、17 センサ、19 蒸気生成部、20 配管、21 流量計、111 内槽、112 外槽、191 温度調整部
Claims (6)
- リン酸溶液を貯留し、シリコンを含む膜を有する基板が前記リン酸溶液に浸漬される処理槽と、
水蒸気を生成する蒸気生成部と、
前記水蒸気を前記蒸気生成部から前記処理槽へ導入し、前記水蒸気を含む気泡を前記リン酸溶液内に放出する配管と、
を備える基板処理装置。 - 前記処理槽は、前記リン酸溶液を貯留する内槽と、前記内槽を包囲し、前記内槽からオーバーフローした前記リン酸溶液を回収する外槽と、を有し、
前記内槽と前記外槽との間で前記リン酸溶液を循環させる循環路と、
前記循環路に設けられ、前記外槽から前記リン酸溶液を吸引して前記内槽へ戻すポンプと、
前記循環路を流れる前記リン酸溶液を加熱する加熱部と、をさらに備える、請求項1に記載の基板処理装置。 - 前記配管内の流量を計測する流量計をさらに備え、
前記蒸気生成部は、前記流量計の計測結果に基づいて不活性ガスの温度を調整する温度調整部を有し、
前記水蒸気は、前記温度調整部で温度調整された前記不活性ガスで前記配管内を移動する、請求項1または2に記載の基板処理装置。 - 前記リン酸溶液のリン酸の比重とリン酸濃度との少なくとも一方を検出するセンサと、
前記センサの検出結果に基づいて水を前記処理槽内に投入する投入部と、をさらに備える、請求項1から3のいずれかに記載の基板処理装置。 - 前記水蒸気が、飽和蒸気または過熱蒸気である、請求項1から4のいずれかに記載の基板処理装置。
- 基板上に、シリコンを含む膜を形成し、
処理槽内に貯留されたリン酸溶液に、前記基板および前記膜を浸漬し、
前記処理槽の外部で水蒸気を生成し、
前記水蒸気を前記処理槽に導入することによって、前記水蒸気を含む気泡を前記リン酸溶液内に放出し、
前記気泡を放出した状態で、前記膜をエッチングする、半導体装置の製造方法。
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