JP2023045207A - 半導体製造装置、半導体装置の製造方法および成膜方法 - Google Patents

半導体製造装置、半導体装置の製造方法および成膜方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 製造効率を向上した半導体製造装置および半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】 本実施形態に係る半導体製造装置は、基板が載置されるチャンバと、第１の処理ガスをチャンバ内に供給するための第１のガス流路と、第２の処理ガスをチャンバ内に供給するための第２のガス流路と、第１の置換ガスをチャンバ内に供給するための第１の置換ガス流路と、第１の置換ガスを加熱する置換ガス加熱部と、第２の置換ガスをチャンバ内に供給するための第２の置換ガス流路と、第２の置換ガスを冷却する置換ガス冷却部と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、半導体製造装置、半導体装置の製造方法および成膜方法に関する。
半導体基板に成膜を行う手法として、原料ガス（プリカーサ）、及び原料ガスと反応する反応ガス（リアクタント）を半導体基板に対して交互に供給して基板の表面に反応生成物の層を堆積させて薄膜を得るＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が知られている。プリカーサとリアクタントとは、それぞれ独立して導入(パルス)され排出(パージ)される。各パルスにおいてプリカーサ分子、リアクタント分子はそれぞれ半導体基板表面の反応性部位と自己制御的に反応する。パルスにおいて半導体基板表面の反応性部位を反応させ、パージにおいて未反応のプリカーサ分子、リアクタント分子を完全に脱離させることで半導体基板表面に１層の反応生成物の膜を形成することができる。プリカーサのパルス・パージと、リアクタントのパルス・パージとを１サイクルとして繰り返すことで、厳密な膜厚の制御が可能となる。また、同様の原理で半導体基板にエッチングを行う手法として、ＡＬＥ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法が知られている。
米国特許第１０８７０９２０号明細書 米国特許第１０９４７６２１号明細書 特開２０２０－７７７５１号公報 米国特許出願公開第２０１９／０２４９３０２号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０２２５２０３号明細書
本開示に係る実施形態は、製造効率を向上した半導体製造装置、半導体装置の製造方法および成膜方法を提供する。
一実施形態に係る半導体製造装置は、基板が載置されるチャンバと、第１の処理ガスをチャンバ内に供給するための第１のガス流路と、第２の処理ガスをチャンバ内に供給するための第２のガス流路と、チャンバ内の雰囲気を置換するための置換ガスをチャンバ内に供給するための置換ガス流路と、置換ガスを加熱する置換ガス加熱部と、置換ガスを冷却する置換ガス冷却部と、を備える。
一実施形態に係る半導体製造装置の全体構成を概略的に示す図である。 加熱機構の構造を概略的に示す断面図である。 冷却機構の構造を概略的に示す断面図である。 一実施形態に係る半導体装置の製造方法における基板の表面エネルギーの変化を示す図である。 一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるウェハ表面の温度変化を示す図である。 変形例に係る半導体製造装置の全体構成を概略的に示す図である。
以下、本実施形態に係る半導体製造装置および半導体装置の製造方法について図面を参照して具体的に説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する要素について、同一符号又は同一符号の後にアルファベットが追加された符号が付されており、必要な場合にのみ重複して説明する。以下に示す各実施形態は、この実施形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示する。実施形態の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定されない。実施形態の技術的思想は、特許請求の範囲に対して、種々の変更を加えたものであってもよい。
図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図面において、既出の図面に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。
本明細書において「αはＡ、Ｂ又はＣ」を含む、「αはＡ，Ｂ及びＣのいずれか」を含む、「αはＡ，Ｂ及びＣからなる群から選択される一つ」を含む、といった表現は、特に明示が無い限り、αがＡ～Ｃの複数の組み合わせを含む場合を排除しない。さらに、これらの表現は、αが他の要素を含む場合も排除しない。
本明細書において、水平とは半導体製造装置のステージに対して水平な方向（ＸＹ方向）を指し、鉛直とは前記水平方向に対して略垂直な方向（Ｚ方向）を指す場合がある。
以下の各実施形態は、技術的な矛盾を生じない限り、互いに組み合わせることができる。
以下の各実施形態では、半導体装置としてメモリセルアレイを例示して説明するが、本開示の技術をメモリセルアレイ以外の半導体装置（例えば、ＣＰＵ、ディスプレイ、インターポーザなど）に適用することができる。
＜半導体製造装置＞
図１は、一実施形態に係る半導体製造装置の全体構成を概略的に示す図である。本実施形態に係る半導体製造装置１は、例えば、１枚の半導体基板に対して成膜またはエッチングを行う枚葉式（Ｓｉｎｇｌｅ Ｗａｆｅｒ Ｔｙｐｅ）のＡＬＤ／ＡＬＥ装置であり、成膜装置とも称され得る。図１に示すように、半導体製造装置１は、チャンバ１０と、４つのガス供給路２０、３０、４０、５０と、を備える。
チャンバ１０は、基板Ｓを固定するステージ１１を備える。ステージ１１は、ウェハ状（円盤状）の基板Ｓを、主面が水平方向になるよう載置可能である。ステージ１１の上方には、チャンバ１０を貫通する４つのガス供給口１２、１３、１４、１５が配置される。４つのガス供給口１２、１３、１４、１５には、４つのガス供給路２０、３０、４０、５０がそれぞれ接続される。４つのガス供給路２０、３０、４０、５０から供給されるそれぞれのガスは、チャンバ１０内に分散し、ステージ１１上の基板Ｓに均一に供給される。ステージ１１の下方には、チャンバ１０を貫通するガス排気口１６が配置される。ガス排気口１６にはガス排気路６０が接続される。チャンバ１０内のガスは、ガス排気路６０から排気される。また、チャンバ１０には、図示しない温度制御機構が設けられており、チャンバ１０内全体の温度が制御される。
ガス供給路（第１のガス流路）２０には、原料ガスを供給するガス供給装置２１が接続されている。ガス供給装置２１は、流量や圧力を調整しながら原料ガスをガス供給路２０に供給する。ガス供給装置２１とガス供給口１２との間には、バルブ２２が配置される。バルブ２２が開くことで、ガス供給路２０を介してガス供給口１２からチャンバ１０内に原料ガスが供給される。
ガス供給路（第２のガス流路）３０には、反応ガスを供給するガス供給装置３１が接続されている。ガス供給装置３１は、流量や圧力を調整しながら反応ガスをガス供給路３０に供給する。ガス供給装置３１とガス供給口１３との間には、バルブ３２が配置される。バルブ３２が開くことで、ガス供給路３０を介してガス供給口１３からチャンバ１０内に反応ガスが供給される。
ガス供給路（第１の置換ガス流路）４０には、置換ガスを供給するガス供給装置４１が接続されている。置換ガスは、パージガスとも称され得る。ガス供給装置４１は、流量や圧力を調整しながら置換ガスをガス供給路４０に供給する。ガス供給装置４１とガス供給口１４との間には、圧力制御機構４５、バルブ４２、加熱機構（置換ガス加熱部）４３、バルブ４４がこの順に配置される。ガス供給装置４１から供給される置換ガスは、圧力制御機構４５によって減圧される。圧力制御機構４５は、例えば、オリフィスであってもよい。バルブ４２が開くことで、減圧された置換ガスは、加熱機構４３に供給される。図２は、加熱機構４３の構造を概略的に示す断面図である。加熱機構４３は、ガス流路４３１とヒータ４３２とを有する。ヒータ４３２は、ガス流路４３１を囲うように配置される。加熱機構４３のガス流路４３１に供給された置換ガスはヒータ４３２によって加熱することができる。加熱機構４３は、例えば、置換ガスの温度を原料ガスおよび反応ガスより高い温度に加熱する。バルブ４４が開くことで、ガス供給路４０を介してガス供給口１４からチャンバ１０内に加熱された置換ガスが供給される。
ガス供給路（第２の置換ガス流路）５０には、置換ガスを供給するガス供給装置５１が接続されている。ガス供給装置５１は、流量や圧力を調整しながら置換ガスをガス供給路５０に供給する。ガス供給装置５１とガス供給口１５との間には、バルブ５２、冷却機構（置換ガス冷却部）５３、バルブ５４がこの順に配置される。バルブ５２が開くことで、置換ガスは冷却機構５３に供給される。図３は、冷却機構５３の構造を概略的に示す断面図である。冷却機構５３は、空間の体積を急速に変化させることによってガスを膨張・冷却するポンプであり、シリンジ５３１と、ピストン５３２と、可動部５３３と、断熱材５３４と、を有する。ピストン５３２は、シリンジ５３１の内側面に摺動可能に配置される。可動部５３３は、ピストン５３２の軸に螺嵌される。ピストン５３２は、可動部５３３が回転（矢印）することによってシリンジ５３１に対して摺動する。また、断熱材５３４は、シリンジ５３１を囲うように配置される。
冷却機構５３に供給される置換ガスは、シリンジ５３１およびピストン５３２によって囲われる空間に供給される。シリンジ５３１およびピストン５３２によって囲われる空間は、可動部５３３によってピストン５３２が摺動することによって体積を変化させることができる。バルブ５２、バルブ５４、を閉じて、シリンジ５３１およびピストン５３２によって囲われる空間を急速に断熱膨張させることによって、空間内のガスの温度を冷却することができる。例えば、ガスの体積を急速にゲージ圧０．６ＭＰａから０．３ＭＰａまで（気圧７ａｔｍから３ａｔｍまで）２倍断熱膨張させることによって、ガスの温度は約５０℃冷却される。冷却機構５３は、例えば、置換ガスの温度を原料ガスおよび反応ガスより低い温度に冷却する。バルブ５４が開くことで、ガス供給路５０を介してガス供給口１５からチャンバ１０内に冷却された置換ガスが供給される。
本実施形態において冷却機構５３は、シリンジ５３１とピストン５３２によってガスを膨張・冷却するポンプで示した。しかしながらこれに限定されず、冷却機構５３は空間の体積を急速に変化させることが可能であればよく、鞴やダイアフラムであってもよい。
ガス排気路６０には、バルブ６２および排気ポンプ６３がこの順に配置される。バルブ６２が開くことで、排気ポンプ６３は、ガス排気路６０を介してガス排気口１６からチャンバ１０内のガスを排気する。
＜半導体装置の製造方法＞
以下、本実施形態に係る半導体製造装置１を用いた半導体装置の製造方法について説明する。実施形態の半導体装置の製造方法は、例えばＡＬＤまたはＡＬＥ法を用いて半導体基板の上方に所望の膜を成膜する工程を含む。ＡＬＤまたはＡＬＥ法では、Ａ．原料ガスの吸着、Ｂ．原料ガスの脱離、Ｃ．反応ガスの吸着、Ｄ．反応ガスの脱離の４つのステップを含む。図４に、一実施形態に係る半導体装置の製造方法における基板の表面反応のエネルギーの変化を示す。図４は、Ａ．原料ガスの吸着、Ｂ．原料ガスの脱離、Ｃ．反応ガスの吸着、Ｄ．反応ガスの脱離の４つのステップにおいて、それぞれの素過程の反応前後表面エネルギーと活性化エネルギーを示したものである。それぞれの素過程において、基板の表面エネルギーはそれぞれ異なる。４つのステップのサイクルシーケンス中には、活性化エネルギーも高く、反応前のエネルギーに比べて反応後のエネルギーの高い、いわゆる逆反応の方が進行しやすいステップが存在する（図４においてはＤ．反応ガスの脱離）。例えば、複雑な構造を有する３次元ＮＡＮＤ型フラッシュメモリを製造するための半導体基板においては、このように活性化エネルギーが高く、反応前より反応後の表面エネルギーが高いステップが律速過程となる。反応ガスの脱離が不完全だと残った分子と次の分子が反応し、副生成物を形成する場合があり、成膜またはエッチングを制御することが難しくなる。このため、本実施形態に係る半導体製造装置１を用いた半導体装置の製造方法においては、律速過程となるステップにおいて一過的に供給ガスの温度を上げ、再び元に戻すことで製造効率を向上する。図５に、一実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるウェハ表面の温度変化の一例を示す。なお、サイクルシーケンス中のチャンバ１０内全体の温度は図示しない温度制御機構によって適宜制御される。
まず、基板Ｓを、チャンバ１０のステージ１１上に載置する。基板Ｓは、例えば、多くのメモリセルを積層した３次元ＮＡＮＤ型フラッシュメモリを製造するための半導体基板である。
Ａ．原料ガスを吸着するため、ガス供給路２０のバルブ２２を開いて原料ガスをチャンバ１０に供給する。このとき、ガス供給路３０、４０、５０のバルブ３２、４２、５２は閉じている。原料ガスは、例えば成膜された膜に含まれる元素を有するガスである。
Ｂ．原料ガスを脱離するため、ガス供給路５０のバルブ５２、５４を開いて置換ガスをチャンバ１０に供給し、ガス排気路６０のバルブ６２を開いてチャンバ１０内のガスを排気する。このとき、バルブ５２、５４の両方を開くことで冷却機構５３は機能せず、置換ガスは冷却されない。また、ガス供給路２０、３０、５０のバルブ２２、３２、５２は閉じている。置換ガスは、例えば、窒素（Ｎ2）またはアルゴン（Ａｒ）であってもよい。
Ｃ．反応ガスを基板上に吸着した原料ガスと反応させ吸着するため、ガス供給路３０のバルブ３２を開いて反応ガスをチャンバ１０に供給する。このとき、ガス供給路２０、４０、５０のバルブ２２、４２、５２は閉じている。反応ガスは、例えば水素（Ｈ）を含むガスであり、還元ガスとも称され得る。
Ｄ．反応ガスを脱離するため、ガス供給路４０のバルブ４２を開いて置換ガスを加熱機構４３に供給し、置換ガスを加熱する。ガス供給路４０のバルブ４４を開いて加熱した置換ガスをチャンバ１０に供給する。加熱した置換ガスの温度は、原料ガスおよび反応ガスの温度より高くてもよい。また、ガス排気路６０のバルブ６２を開いてチャンバ１０内のガスを排気する。このとき、ガス供給路２０、３０、５０のバルブ２２、３２、５２は閉じている。
本実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、置換ガスの温度を一過的に上げることで、基板上での反応ガスの脱離を促進することができる。これによって、サイクルシーケンス中の律速過程となるステップの時間を短縮することができ、半導体装置の製造効率することができる。また、残存したガスによる副生成物の発生を抑制することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
次のサイクルに入る前に、ガス供給路５０のバルブ５２を開いて置換ガスを冷却機構５３に供給する。バルブ５２、５４を閉じて、シリンジ５３１およびピストン５３２によって囲われる空間を急速に断熱膨張させることによって、置換ガスの温度を冷却する。ガス供給路５０のバルブ５４を開いて冷却した置換ガスをチャンバ１０に供給する。冷却した置換ガスの温度は、原料ガスおよび反応ガスの温度より低くてもよい。
また、ガス排気路６０のバルブ６２を開いてチャンバ１０内のガスを排気する。このとき、ガス供給路２０、３０、４０のバルブ２２、３２、４２は閉じている。置換ガスは、例えば、窒素（Ｎ2）またはアルゴン（Ａｒ）であってもよい。
本実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、置換ガスの温度を戻す（下げる）ことで、次のサイクルの反応温度に最適化することができる。これによって、サイクルシーケンス中のステップの時間を短縮することができ、半導体装置の製造効率することができる。
本実施形態に係る半導体製造装置１を用いた半導体装置の製造方法は、供給ガスの温度を上げ、再び元に戻すことで、律速過程となるステップを促進することができる。これによって、サイクルシーケンス中の律速過程となるステップの時間を短縮することができ、半導体装置の製造効率することができる。また、残存したガスによる副生成物の発生を抑制することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
＜変形例＞
本変形例に係る半導体製造装置の構成は、多数の基板を同時に処理するバッチ式（Ｂａｔｃｈ ｔｙｐｅ）であること以外、一実施形態に係る半導体製造装置の構成と同じである。本変形例に係る半導体装置の製造方法は、一実施形態に係る半導体装置の製造方法と同じである。実施形態と同じである説明は省略し、ここでは実施形態に係る半導体製造装置の構成と相違する部分について説明する。
＜半導体製造装置＞
図６は、一変形例に係る半導体製造装置の全体構成を概略的に示す図である。本変形例に係る半導体製造装置１ａは、例えば、複数の半導体基板に対して成膜またはエッチングを行うバッチ式のＡＬＤ／ＡＬＥ装置である。図６に示すように、半導体製造装置１ａは、チャンバ１０ａと、４つのガス供給路２０ａ、３０ａ、４０ａ、５０ａと、を備える。
チャンバ１０ａは、基板Ｓを固定するステージ１１ａを備える。ステージ１１ａは、複数の基板Ｓを、所定の間隔で主面が水平方向になるよう行状に並べて載置可能である。基板Ｓは、例えば、１つのチャンバ１０ａに最大２００枚程度収容可能であってもよい。ステージ１１ａの横には、チャンバ１０ａを貫通する４つのガス供給口１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａが配置される。４つのガス供給口１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａには、４つのガス供給路２０ａ、３０ａ、４０ａ、５０ａがそれぞれ接続される。４つのガス供給路２０ａ、３０ａ、４０ａ、５０ａから供給されるそれぞれのガスは、４つのガス供給口１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａを介してガス供給管１２１ａ、１３１ａ、１４１ａ、１５１ａからチャンバ１０内に供給される。ガス供給管１２１ａ、１３１ａ、１４１ａ、１５１ａは複数の基板Ｓが行状に並ぶ方向（鉛直方向）に延在する。
ガス供給管１２１ａ、１３１ａ、１４１ａ、１５１ａは、複数の基板Ｓが行状に並ぶ方向（鉛直方向）の側部に複数のガス吐出口を有する。ガス吐出口は複数の基板Ｓの間に配置されることが好ましい。ガス吐出口から吐出されるガスは、複数の基板Ｓに対して均等に供給される。ステージ１１ａの下方には、チャンバ１０ａを貫通するガス排気口１６ａが配置される。ガス排気口１６ａにはガス排気路６０ａが接続される。チャンバ１０ａ内のガスは、ガス排気路６０ａから排気される。また、チャンバ１０ａには、図示しない温度制御機構が設けられており、チャンバ１０ａ内全体の温度が制御される。または、ガス供給管１２１ａ、１３１ａ、１４１ａ、１５１ａは側部に複数の吐出口を有しておらず、ガス供給管１２１ａ、１３１ａ、１４１ａ、１５１ａの末端に吐出口を有しても良い。なお、図６において、ガス供給管１２１ａ、１３１ａ、１４１ａ、１５１ａの末端の高さは複数の基板Ｓの上段付近となるように示されているが、その高さは特に限定されない。
４つのガス供給路２０ａ、３０ａ、４０ａ、５０ａの構成や、半導体装置の製造方法は、一実施形態に係る半導体装置の製造方法と同じであるので、ここでは省略する。
本変形例に係る半導体製造装置１ａを用いた半導体装置の製造方法は、供給ガスの温度を上げ、再び元に戻すことで、律速過程となるステップを促進することができる。これによって、サイクルシーケンス中の律速過程となるステップの時間を短縮することができ、半導体装置の製造効率することができる。また、残存したガスによる副生成物の発生を抑制することができ、半導体装置の信頼性を向上することができる。
１ 半導体製造装置、１０ チャンバ、１１ ステージ、１２、１３、１４、１５ ガス供給口、１６ ガス排気口、２０、３０、４０、５０ ガス供給路、２１、３１、４１、５１ ガス供給装置、４３ 加熱機構、５３ 冷却機構、６３ 排気ポンプ、４３２ ヒータ、５３１ シリンジ、５３２ ピストン、５３３ 可動部、５３４ 断熱材

Claims (11)

  1. 基板が載置されるチャンバと、
    第１の処理ガスを前記チャンバ内に供給するための第１のガス流路と、
    第２の処理ガスを前記チャンバ内に供給するための第２のガス流路と、
    第１の置換ガスを前記チャンバ内に供給するための第１の置換ガス流路と、
    前記第１の置換ガスを加熱する置換ガス加熱部と、
    第２の置換ガスを前記チャンバ内に供給するための第２の置換ガス流路と、
    前記第２の置換ガスを冷却する置換ガス冷却部と、
    を備える半導体製造装置。
  2. 前記置換ガス冷却部は前記第２の置換ガスを前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスの温度より低い温度に冷却する、請求項１に記載の半導体製造装置。
  3. 前記置換ガス加熱部は前記第１の置換ガスを前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスの温度より高い温度に加熱する、請求項１に記載の半導体製造装置。
  4. 前記置換ガス冷却部は、前記第２の置換ガスを膨張させるポンプを含む、請求項１に記載の半導体製造装置。
  5. 前記ポンプは、前記第２の置換ガスを２倍以上の体積に膨張させる、請求項４に記載の半導体製造装置。
  6. 前記置換ガス冷却部は、断熱材をさらに含む、請求項４に記載の半導体製造装置。
  7. 基板が載置されるチャンバ内に第１の処理ガスを供給し、
    前記チャンバ内に第２の処理ガスを供給し、
    前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスの温度より高い温度の第１の置換ガスを供給し、
    前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスの温度より低い温度の第２の置換ガスを供給する、
    ことを含む半導体装置の製造方法。
  8. 前記第２の置換ガスを冷却する置換ガス冷却部は、前記第２の置換ガスを膨張させるポンプを含む、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記ポンプは、前記第２の置換ガスを２倍以上の容積に膨張させる、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記第２の置換ガスは不活性ガスを含む、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 基板が載置されるチャンバ内に第１の処理ガスを供給し、
    前記チャンバ内に第２の処理ガスを供給し、
    前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスの温度より高い温度の第１の置換ガスを供給し、
    前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスの温度より低い温度の第２の置換ガスを供給する、
    ことを含む成膜方法。
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