JP7096112B2 - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関する。

基板を収容するチャンバにリン酸水溶液を循環させ、基板上のシリコン窒化膜をリン酸水溶液により処理する場合、シリコン窒化膜からリン酸水溶液にシリカが溶解する。この場合、シリカの析出を防止する必要があるが、シリカの析出を防止するためにリン酸水溶液を頻繁に交換することは望ましくない。これは、シリコン窒化膜以外の膜を処理する場合や、リン酸水溶液以外の液体を使用する場合でも同様である。

特開２０１８－６６２３号公報

基板上の膜を処理する液体を効率的に使用することが可能な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。

一の実施形態によれば、半導体製造装置は、基板上の膜に液体を供給して、前記膜から前記液体に物質を溶解させる液体供給部を備える。前記装置はさらに、前記膜に供給された前記液体を回収して前記液体供給部に再び送液する第１流路と、前記膜に供給された前記液体を排液する第２流路とを備える。前記装置はさらに、前記膜に供給された前記液体を前記第１流路に排出するか前記第２流路に排出するかを切り替える第１切替部と、前記第１流路に前記液体を新たに補充するか否かを切り替える第２切替部とを備える。前記装置はさらに、前記第１および第２切替部を制御することで、前記膜に供給される前記液体中の前記物質の濃度を調整する制御部を備える。

第１実施形態の半導体製造装置の構成を示す模式図である。 第１実施形態の半導体製造装置の動作を説明するためのグラフである。 第１実施形態の半導体製造装置の動作を説明するための別のグラフである。 第１実施形態の半導体製造装置の動作を説明するための別のグラフである。 第１実施形態の半導体製造装置の動作を説明するための別のグラフである。 第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図(1/2)である。 第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図(2/2)である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の半導体製造装置の構成を示す模式図である。図１の半導体製造装置は、ウェハ１をエッチング液により処理する枚葉式のエッチング装置である。

図１の半導体製造装置は、回収カップ１１ａ、回転軸１１ｂ、およびノズル１１ｃを有する処理チャンバ１１と、温度調整槽１２と、第１ポンプ１３と、第２ポンプ１４と、加熱器１５と、補充バルブ１６と、カップ制御部１７ａおよびバルブ制御部１７ｂを有する制御部１７とを備えている。回収カップ１１ａは第１切替部の例であり、補充バルブ１６は第２切替部の例である。ノズル１１ｃは液体供給部の例であり、温度調整槽１２は液体槽の例である。

図１はさらに、エッチング液用の流路Ｌ１～Ｌ５を示している。流路Ｌ１、Ｌ２は第１流路の例であり、流路Ｌ３は第２流路の例である。

処理チャンバ１１は、ウェハ１を収容してエッチング液により処理する。図１は、処理チャンバ１１の設置面に平行で互いに垂直なＸ方向およびＹ方向と、処理チャンバ１１の設置面に垂直なＺ方向を示している。本明細書では、＋Ｚ方向を上方向として取り扱い、－Ｚ方向を下方向として取り扱う。－Ｚ方向は、重力方向と一致していてもよいし、重力方向と一致していなくてもよい。

回転軸１１ｂは、ウェハ１を支持し回転させる。ウェハ１は、基板の例であるシリコン基板と、基板上に設けられた膜の例であるシリコン窒化膜とを含んでいる。ノズル１１ｃは、流路Ｌ１からのエッチング液をこのシリコン窒化膜に供給する。その結果、シリコン窒化膜がエッチング液によりエッチングされ、シリコン窒化膜からエッチング液にシリカが溶解する。本実施形態のエッチング液は、例えばリン酸水溶液である。

回収カップ１１ａは、ウェハ１に対して上下方向に移動することができる。回収カップ１１ａが高い位置に位置する場合には、シリコン窒化膜に供給されたエッチング液は、矢印Ｐ１で示すように、回収カップ１１ａ内の流路を介して流路Ｌ２に排出される。一方、回収カップ１１ａが低い位置に位置する場合には、シリコン窒化膜に供給されたエッチング液は、矢印Ｐ２で示すように、回収カップ１１ａ内の流路を介して流路Ｌ３に排出される。このように、回収カップ１１ａは、シリコン窒化膜に供給されたエッチング液を流路Ｌ２に排出するか流路Ｌ３に排出するかを切り替えることができる。

流路Ｌ１と流路Ｌ２は、処理チャンバ１１と温度調整槽１２との間でエッチング液を循環させる循環流路を形成している。温度調整槽１２と第１ポンプ１３は、この循環流路に設けられている。温度調整槽１２はエッチング液を貯留し、第１ポンプ１３は温度調整槽１２からノズル１１ｃにエッチング液を送液する。

流路Ｌ２は、処理チャンバ１１から排出されたエッチング液（矢印Ｐ１）を温度調整槽１２に回収する。その結果、このエッチング液は、流路Ｌ１を介して再びノズル１１ｃへと送液される。一方、流路Ｌ３は、処理チャンバ１１から排出されたエッチング液（矢印Ｐ２）を半導体製造装置の外部に排液（ドレン）する。そのため、回収カップ１１ａは、エッチング液を回収するか排液するかを切り替えることができる。

流路Ｌ４は、温度調整槽１２と加熱器１５との間でエッチング液を循環させる循環流路を形成している。加熱器１５と第２ポンプ１４は、この循環流路に設けられている。加熱器１５は、温度調整槽１２から流路Ｌ４へと排出されたエッチング液を加熱する。加熱器１５により加熱されたエッチング液は、第２ポンプ１４により流路Ｌ４を介して温度調整槽１２に戻される。こうして、流路Ｌ１と流路Ｌ２とを流れるエッチング液の温度が所定温度に調整される。

流路Ｌ５は、温度調整槽１２にエッチング液を新たに補充するために使用される。補充バルブ１６は、流路Ｌ５に設けられており、温度調整槽１２にエッチング液を新たに補充するか否かを切り替えるために使用される。本実施形態の流路Ｌ１、Ｌ２を循環するエッチング液の量は、流路Ｌ３への排液により減少させることができ、流路Ｌ５からの補充により増加させることができる。

制御部１７は、半導体製造装置の動作を制御する。制御部１７の例は、プロセッサ、電気回路、ＰＣ（Personal Computer）などである。例えば、制御部１７は、カップ制御部１７ａにより回収カップ１１ａの上昇動作や下降動作を制御することで、エッチング液の回収量や排液量を調整することができる。また、制御部１７は、バルブ制御部１７ｂにより補充バルブ１６の開閉や開度を制御することで、エッチング液の補充量を調整することができる。

本実施形態の制御部１７は、回収カップ１１ａと補充バルブ１６の動作を制御することで、シリコン窒化膜に供給されるエッチング液中のシリカの濃度を調整する。以下、このシリカ濃度調整の詳細を説明する。

図２は、第１実施形態の半導体製造装置の動作を説明するためのグラフである。

図２は、上述のシリコン窒化膜のエッチングを開始した後、エッチング液の排液や補充を行わずにエッチング液を回収し続けた場合のシリカ濃度の変化を示している。図２の縦軸は、エッチング液中のシリカ濃度を表す。図２の横軸は、シリコン窒化膜をエッチング液により処理したエッチング時間を表す。このエッチング時間は、エッチング開始からの経過時間を示している。

シリコン窒化膜のエッチングを開始すると、エッチング時間の進行と共にシリカ濃度が初期濃度（ここでは５５ｐｐｍ）から上昇していく。シリカ濃度はその後、エッチング液中のシリカが析出する析出濃度（ここでは６５ｐｐｍ）を超過する。その結果、エッチング液中のシリカが析出してしまう。そのため、シリカの析出を防止する必要があるが、シリカの析出を防止するためにエッチング液を頻繁に交換することは望ましくない。

図３は、第１実施形態の半導体製造装置の動作を説明するための別のグラフである。

図３(ａ)は、図２と同様に、上述のシリコン窒化膜のエッチングを開始した後、エッチング液の排液や補充を行わずにエッチング液を回収し続けた場合の接液面積とシリカ濃度の変化を示している。接液面積は、各時点においてシリコン窒化膜がエッチング液に接触している面積である。

図３(ａ)は、エッチング時間の進行と共に、接液面積がＳ１からＳ２に減少し、Ｓ２からＳ３に減少する例を示している。接液面積がＳ１の場合には、シリコン窒化膜のエッチング量が大きくなるため、シリカ濃度が急峻に上昇している。一方、接液面積がＳ３の場合には、シリコン窒化膜のエッチング量が小さくなるため、シリカ濃度が緩やかに上昇している。

図３(ｂ)は、図３(ａ)に示す接液面積の標本値を示している。具体的には、接液面積の値を一定時間Δｔごとにサンプリングし、サンプリングされた値（標本値）を棒グラフの形でプロットしたものである。本実施形態の制御部１７は、これらの標本値に基づいて、回収カップ１１ａと補充バルブ１６の動作を制御する。

図４は、第１実施形態の半導体製造装置の動作を説明するための別のグラフである。

図４(ａ)は、３種類の標本値Ｋ１～Ｋ３を例として示している。標本値Ｋ１は接液面積が小さい場合を示し、標本値Ｋ２は接液面積が中程度の場合を示し、標本値Ｋ３は接液面積が大きい場合を示している。図４(ｂ)、図４(ｃ)、図４(ｄ)はそれぞれ、標本値がＫ１～Ｋ３の場合のノズル１１ｃ、回収カップ１１ａ、補充バルブ１６の動作を示している。

図４(ｂ)に示すように、ノズル１１ｃは常に開放され、シリコン窒化膜にエッチング液を吐出し続ける。一方、回収カップ１１ａと補充バルブ１６は、図４(ｃ)と図４(ｄ)に示すように、エッチング液を回収する動作と、エッチング液を排液および補充する動作とを交互に繰り返す。符号Ａ１～Ａ３は、エッチング液を回収する期間を示し、符号Ｂ１～Ｂ３は、エッチング液を排液および補充する期間を示している。前者の期間には、補充バルブ１６が閉鎖され、温度調整槽１２へのエッチング液の補充が停止される。一方、後者の期間には、補充バルブ１６が開放され、温度調整槽１２にエッチング液が補充される。

前者の期間には、エッチング液はすべて回収されるが、エッチング液は排液も補充もされない。よって、前者の期間には、流路Ｌ１、Ｌ２を循環するエッチング液の量は一定となる。一方、後者の期間には、エッチング液はまったく回収されないが、エッチング液が排液および補充される。この際、本実施形態では、エッチング液の排液量を、エッチング液の補充量と同じにする。よって、後者の期間にも、流路Ｌ１、Ｌ２を循環するエッチング液の量は一定となる。

ただし、本実施形態では、前者の期間と後者の期間との長さの比を、標本値に応じて変化させる。標本値がＫ１の場合には、比はＡ１：Ｂ１となる。標本値がＫ２の場合には、比はＡ２：Ｂ２となる。標本値がＫ３の場合には、比はＡ３：Ｂ３となる。これらの間には、Ａ１＞Ａ２＞Ａ３、Ｂ１＜Ｂ２＜Ｂ３、Ａ１＋Ｂ１＝Ａ２＋Ｂ２＝Ａ３＋Ｂ３＝Δｔの関係が成り立つ。

例えば、標本値がＫ３の場合には、接液面積が大きいため、シリコン窒化膜から多量のシリカが溶解する。よって、期間Ｂ３を長くして、エッチング液の排液量や補充量を多くする。これにより、シリコン窒化膜から多量のシリカが溶解しても、シリカ濃度の上昇を抑制することができる。

一方、標本値がＫ１の場合には、接液面積が小さいため、シリコン窒化膜から少量のシリカしか溶解しない。よって、期間Ｂ１を短くして、エッチング液の排液量や補充量を少なくする。これにより、エッチング液を節約しつつ、シリカ濃度の上昇を抑制することができる。

以上のように、本実施形態の制御部１７は、回収カップ１１ａと補充バルブ１６の動作を制御することで、エッチング液の単位時間当たりの回収量、排液量、および補充量を調整し、これによりシリカ濃度を調整する。これにより、接液面積に応じてエッチング液を効率的に使用することが可能となる。

例えば、標本値がＫ１のときにはＡ１：Ｂ１＝２：１に設定し、標本値がＫ３のときにはＡ３：Ｂ３＝１：２に設定することを想定する。この場合、標本値がＫ３の場合には、標本値がＫ１の場合に比べて、エッチング液の補充期間の長さが２倍になる。その結果、標本値がＫ３の場合には、標本値がＫ１の場合に比べて、エッチング液の単位時間当たりの補充量（平均補充量）が２倍になる。これにより、接液面積が大きい場合には、接液面積が小さい場合に比べて、多量のエッチング液を補充することができる。このように、本実施形態の制御部１７は、エッチング液の単位時間当たりの回収量、排液量、および補充量が接液面積に応じて変化するように、回収カップ１１ａと補充バルブ１６の動作を制御する。

なお、以上の説明は、エッチング液の回収時に流路Ｌ２に排出されるエッチング液の流量や、エッチング液の排液時に流路Ｌ３に排出されるエッチング液の流量や、エッチング液の補充時に流路Ｌ５を流れるエッチング液の流量が、いずれも一定であることを前提としている。よって、エッチング液の補充期間が２倍になると、エッチング液の平均補充量が２倍になると説明している。しかしながら、本実施形態では、これらの流量は一定でなくても構わない。

図５は、第１実施形態の半導体製造装置の動作を説明するための別のグラフである。

本実施形態の制御部１７は、シリカ濃度の上昇が抑制されるように、回収カップ１１ａと補充バルブ１６とを制御する。具体的には、制御部１７は、図５に示すように、シリカ濃度が所定濃度（ここでは初期濃度）に維持されるように、回収カップ１１ａと補充バルブ１６とを制御する。ただし、制御には誤差が含まれるため、本実施形態では、シリカ濃度が所定濃度の±５ｐｐｍの範囲内、すなわち、５０～６０ｐｐｍの範囲内に収まるように当該制御を実行する。

このような制御を実行するために、制御部１７は、エッチング時間と接液面積との関係を示す情報を、エッチング開始前にレシピとして取得する。この情報は、半導体製造装置内の記憶装置から読み出してもよいし、半導体製造装置外から通信処理により受信してもよい。

そしてエッチング開始後は、制御部１７は、あるエッチング時間におけるエッチング液の回収量、排液量、および補充量を、そのエッチング時間における接液面積に基づいて調整する。この際、そのエッチング時間における接液面積は、エッチング時間と接液面積との関係を示す上記情報から特定可能である。なお、この調整は、時間Δｔごとに接液面積の標本値を用いて行われる。

例えば、エッチング時間ｔにおける接液面積の標本値がＫ１の場合は、エッチング時間ｔからｔ＋Δｔにおいて、エッチング液の回収期間はＡ１に設定され、エッチング液の排液期間および補充期間はＢ１に設定される。同様に、標本値がＫ２の場合は、回収期間はＡ２に設定され、排液期間および補充期間はＢ２に設定される。同様に、標本値がＫ３の場合は、回収期間はＡ３に設定され、排液期間および補充期間はＢ３に設定される。

これらの期間は、シリカ濃度が所定濃度に維持される値に設定される。よって、本実施形態によれば、エッチング時間に基づいて回収カップ１１ａと補充バルブ１６とを制御することで、シリカ濃度を所定濃度に維持することが可能となる。

なお、本実施形態の半導体製造装置は、シリコン窒化膜の接液面積を測定する測定器を備えていてもよい。この場合、制御部１７は、測定された接液面積に基づいて、各時点の回収期間、排液期間、および補充期間を設定してもよい。これにより、上記のレシピを使用する場合と同様に、シリカ濃度を所定濃度に維持することが可能となる。

また、本実施形態の制御部１７は、シリカ濃度を所定濃度（５５ｐｐｍ）に維持するために、シリカ濃度を下限値（５０ｐｐｍ）と上限値（６０ｐｐｍ）との間に調整しているが、下限値と上限値の値はこれに限るものではない。なお、６０ｐｐｍという上限値は、析出濃度（６５ｐｐｍ）に対して５ｐｐｍのマージンを確保するために設定したものである。一方、５０ｐｐｍという下限値は、シリカ濃度が低下しすぎてシリコン窒化膜がエッチングされ過ぎるのを防止するために設定したものである。

図６および図７は、第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図である。この半導体装置は、３次元半導体メモリである。

図６(ａ)は、基板２１と、下地層２２と、複数の第１絶縁層２３と、複数の第２絶縁層２４と、層間絶縁膜２５とを示している。基板２１は例えば、シリコン基板などの半導体基板である。下地層２２は、基板２１上に順に形成された第１下地層２２ａと、第２下地層２２ｂと、第３下地層２２ｃと、層間絶縁膜２２ｄとを備えている。層間絶縁膜２２ｄは例えば、シリコン酸化膜である。

複数の第１絶縁層２３と複数の第２絶縁層２４は、層間絶縁膜２２ｄ上に交互に形成されている。第１絶縁層２３は例えば、シリコン酸化膜である。第２絶縁層２４は例えば、シリコン窒化膜である。層間絶縁膜２５は、これらの第１および第２絶縁層２３、２４上に形成されている。層間絶縁膜２５は例えば、シリコン酸化膜である。

図６(ａ)は、第１および第２絶縁層２３、２４等を貫通するシャロートレンチＳＴが形成され、シャロートレンチＳＴの側面および底面にカバー絶縁膜２６が形成された状態を示している。カバー絶縁膜２６は例えば、シリコン窒化膜である。

図６(ａ)はさらに、第１および第２絶縁層２３、２４等を貫通する各メモリホールＭＨ内に順に形成されたメモリ絶縁膜２７と、チャネル半導体層２８と、コア絶縁膜２９とを示している。メモリ絶縁膜２７は、シリコン酸化膜などのブロック絶縁膜２７ａと、シリコン窒化膜などの電荷蓄積層２７ｂと、シリコン酸化膜などのトンネル絶縁膜２７ｃとを備えている。チャネル半導体層２８は例えばポリシリコン層であり、コア絶縁膜２９は例えばシリコン酸化膜である。

図６(ａ)では、複数の第２絶縁層２４とカバー絶縁膜２６が、エッチング液による処理対象となるシリコン窒化膜である。これらのシリコン窒化膜の処理は、図１の半導体製造装置により実行される。この処理の詳細を、図６(ｂ)～図７(ｂ)を参照して説明する。

まず、エッチング液によりカバー絶縁膜２６を除去する（図６(ｂ)）。この際の接液面積は、図３(ｂ)に示すＳ１である。接液面積Ｓ１は、シャロートレンチＳＴの側面および底面の面積に相当し、大きい面積を占める。

次に、エッチング液による複数の第２絶縁層２４の除去が開始される（図７(ａ)）。この際の接液面積は、図３(ｂ)に示すＳ２である。接液面積Ｓ２は、これらの第２絶縁層２４の側面の面積に相当し、接液面積Ｓ１よりは小さくなる。

その後、エッチング液がメモリ絶縁膜２７に到達した後も、エッチング液による第２絶縁層２４の除去が継続される（図７(ｂ)）。この際の接液面積は、図３(ｂ)に示すＳ３である。接液面積Ｓ３は、これらの第２絶縁層２４の側面の面積からメモリ絶縁膜２７の側面の面積を引いたものに相当し、接液面積Ｓ２よりは小さくなる。

このように、エッチングの進行に伴い、接液面積は減少していく。よって、制御部１７は、接液面積の減少に伴い、エッチング液の排液期間や補充期間を減少させる。これにより、接液面積に応じてエッチング液を効率的に使用することが可能となる。

その後、第２絶縁層２４の除去により生じた空洞内に、タングステン層などの電極層を形成する。その結果、複数の第２絶縁層２４と複数の電極層とを交互に含む積層構造が形成される。このようにして、本実施形態の半導体装置が製造される。

以上のように、本実施形態の制御部１７は、回収カップ１１ａと補充バルブ１６とを制御することで、基板上のシリコン窒化膜に供給されるエッチング液中のシリカ濃度を調整する。よって、本実施形態によれば、シリカの析出やエッチング液の無駄などを抑制することが可能となるなど、エッチング液を効率的に使用することが可能となる
なお、本実施形態の半導体製造装置は、枚葉式であるが、バッチ式でも構わない。さらに、本実施形態の回収カップ１１ａは、回収と排液とを切り替えるその他の構成要素（例えばバルブ）に置き換えてもよい。同様に、本実施形態の補充バルブ１６は、エッチング液を補充するか否かを切り替えるその他の構成要素に置き換えてもよい。また、本実施形態では、接液面積の標本値としてＫ１～Ｋ３を例示したが、標本値の種類は３種類に限定されるものではない。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置および方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：ウェハ、１１：処理チャンバ、１１ａ：回収カップ、
１１ｂ：回転軸、１１ｃ：ノズル、１２：温度調整槽、
１３：第１ポンプ、１４：第２ポンプ、１５：加熱器、１６：補充バルブ、
１７：制御部、１７ａ：カップ制御部、１７ｂ：バルブ制御部、
２１：基板、２２：下地層、２２ａ：第１下地層、２２ｂ：第２下地層、
２２ｃ：第３下地層、２２ｄ：層間絶縁膜、２３：第１絶縁層、２４：第２絶縁層、
２５：層間絶縁膜、２６：カバー絶縁膜、２７：メモリ絶縁膜、
２７ａ：ブロック絶縁膜、２７ｂ：電荷蓄積層、２７ｃ：トンネル絶縁膜、
２８：チャネル半導体層、２９：コア絶縁膜

Claims (3)

1. 基板上の膜に液体を供給して、前記膜から前記液体に物質を溶解させる液体供給部と、
   前記膜に供給された前記液体を回収して前記液体供給部に再び送液する第１流路と、
   前記膜に供給された前記液体を排液する第２流路と、
   前記膜に供給された前記液体を前記第１流路に排出するか前記第２流路に排出するかを切り替える第１切替部と、
   前記第１流路に前記液体を新たに補充するか否かを切り替える第２切替部と、
   前記第１および第２切替部を制御することで、前記膜に供給される前記液体中の前記物質の濃度を調整する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記第１および第２切替部を制御することで、前記第１流路により前記液体を回収する単位時間当たりの回収量と、前記第２流路により前記液体を排液する単位時間当たりの排液量と、前記第１流路に前記液体を補充する単位時間当たりの補充量とを調整し、
   前記制御部は、前記膜が前記液体に接触している接液面積に応じて前記回収量、前記排液量、および前記補充量が変化するように、前記第１および第２切替部を制御する、
   半導体製造装置。
2. 前記制御部は、前記接液面積に応じて前記回収量、前記排液量、および前記補充量が変化するように、前記膜を前記液体により処理した処理時間に基づいて前記第１および第２切替部を制御する、請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 前記制御部は、前記処理時間と前記接液面積との関係を示す情報を取得し、前記接液面積に応じて前記回収量、前記排液量、および前記補充量が変化するように、前記情報と前記処理時間とに基づいて前記第１および第２切替部を制御する、請求項２に記載の半導体製造装置。

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