JP2020021822A - 基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

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。

特許第６２３６３２０号公報

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。

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。 内槽の内部を示す概略図である。 配管の構造を概略的に示す斜視図である。 エッチング処理前の基板の断面図である。 エッチング処理後の基板の断面図である。 ３次元半導体記憶装置の概略的な構造を示す断面図である。

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。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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