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JP2020141006A - 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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JP2020141006A JP2019034091A JP2019034091A JP2020141006A JP 2020141006 A JP2020141006 A JP 2020141006A JP 2019034091 A JP2019034091 A JP 2019034091A JP 2019034091 A JP2019034091 A JP 2019034091A JP 2020141006 A JP2020141006 A JP 2020141006A
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聡 中岡
勝広 佐藤
Katsuhiro Sato
勝広 佐藤
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Hiroaki Ashidate
浩明 蘆立
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Shinsuke Muraki
信介 村木
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Abstract

【課題】薬液を用いた基板の処理を最適化することが可能な基板処理装置を提供する。【解決手段】一実施形態に係る基板処理装置は、処理槽と、容器と、計測器と、制御部と、を備える。処理槽は、基板を処理する薬液を貯留する。容器は、処理槽から排出されたガスを気液分離したアンモニアを含む液体を貯留する。計測器は、液体に含まれるアンモニア量を経時的に計測する。制御部は、アンモニア量に基づいて、基板の処理を制御する。【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では、基板を薬液に浸漬させてその基板に形成された膜をエッチングする場合がある。この場合、例えば処理時間や薬液の濃度といった処理条件を一律に固定すると、エッチングのばらつきに対処できない可能性がある。
特開平６−１５１４０７号公報
本発明の実施形態は、薬液を用いた基板の処理を最適化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ことである。
一実施形態に係る基板処理装置は、処理槽と、容器と、計測器と、制御部と、を備える。処理槽は、基板を処理する薬液を貯留する。容器は、処理槽から排出されたガスを気液分離したアンモニアを含む液体を貯留する。計測器は、液体に含まれるアンモニア量を経時的に計測する。制御部は、アンモニア量に基づいて、基板の処理を制御する。
第１実施形態に係る基板処理装置の構成を概略的に示す模式図である。 半導体基板の保持形態の一例を示す斜視図である。 （ａ）は、エッチング前の半導体装置の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。 エッチング後の半導体装置の断面図である。 計測器の計測値の経時的な変化を示すグラフである。 第２実施形態に係る基板処理装置の概略的な構成を示す模式図である。 第３実施形態に係る基板処理装置の概略的な構成を示す模式図である。 第４実施形態に係る基板処理装置の概略的な構成を示す模式図である。
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構成を概略的に示す模式図である。図１に示す基板処理装置１は、複数の半導体基板１００の各々に形成されたシリコン窒化膜(不図示)を、薬液２００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。本実施形態に係る基板処理装置１は、チャンバー１０と、処理槽１１と、循環路１２と、ポンプ１３と、リフター１４と、気液分離器１５と、容器１６と、計測器１７と、制御部１８と、を備える。
チャンバー１０は、処理槽１１と、循環路１２と、ポンプ１３と、を収容する。また、チャンバー１０の側面底部には、排気口１０ａが設けられている。
処理槽１１は、内槽１１１および外槽１１２を有する。内槽１１１の上端および外槽１１２の上端は開口している。内槽１１１には、薬液２００が貯留される。本実施形態では、約１６０℃に加熱されたリン酸溶液が内槽１１１に貯留される。外槽１１２は、内槽１１１からオーバーフローした薬液２００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との間で薬液２００を循環させる。外槽１１２に流出した薬液２００は、循環路１２を通じて内槽１１１に還流される。
ポンプ１３は、循環路１２に設けられている。ポンプ１３は、外槽１１２から薬液２００を吸引し、吸引した薬液２００を加圧する。これにより、外槽１１２に回収された薬液２００が内槽１１１へ戻る。
図２は、半導体基板１００の保持形態の一例を示す斜視図である。内槽１１１では、リフター１４が、複数の半導体基板１００を保持する。また、リフター１４は、保持した半導体基板１００を内槽１１１から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半導体基板１００を、内槽１１１に貯留された薬液２００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半導体基板１００を、内槽１１１から自動的に取り出すことができる。
図１に示すように、気液分離器１５は、チャンバー１０の排気口１０ａから排出されたガスを凝縮する。続いて、気液分離器１５は、凝縮により上記ガスから気液分離されたアンモニアを含む液体を容器１６へ供給する一方で、気体を排出する。
容器１６は、気液分離器１５から供給されたアンモニアを含む液体３００を貯留する。また、容器１６は、液体３００の貯留量が上限量を超えると、液体３００を排出する。
計測器１７は、容器１６内で液体３００に含まれたアンモニア量を計測する。アンモニア量は、例えば、液体３００のｐＨ、導電率、および比抵抗に対応する。そのため、計測器は、上記の物理量のいずれかを計測することによって、アンモニア量を計測する。アンモニア量が増加するにつれて、液体３００のｐＨおよび導電率は、高くなる一方で比抵抗は小さくなる。
制御部１８は、計測器１７で計測されたアンモニア量に基づいて、半導体基板１００の処理を制御する。本実施形態では、制御部１８は、半導体基板１００を薬液２００へ浸漬させる処理の終了時間を決定する。
以下、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工程について説明する。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３（ａ）は、エッチング前の半導体装置の平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。図３（ｂ）に示すように、半導体基板１００上には、窒化シリコン膜１０１と酸化シリコン膜１０２とが交互に積層されている。窒化シリコン膜１０１と酸化シリコン膜１０２とからなる積層体は、スリット１０３によって分断されている。また、この積層体には、複数の柱状のメモリ膜１０４が形成されている。
上記半導体基板１００を、リフター１４を用いて内槽１１１に貯留された薬液２００に浸漬させると、薬液２００がスリット１０３から積層体内に浸入する。その結果、図４に示す断面図のように、窒化シリコン膜１０１が酸化シリコン膜１０２に対して選択的にエッチングされる。窒化シリコン膜１０１のエッチングが終了すると、リフター１４によって半導体基板１００は、内槽１１１から搬出される。
上述した窒化シリコン膜１０１のこのエッチング中には、Ｓｉ３Ｎ４＋１２Ｈ２Ｏ→３Ｓｉ（ＯＨ）４＋４ＮＨ３で示される化学反応により、アンモニアが副生成物として生成される。また、薬液２００の水分が蒸発した水蒸気も発生する。アンモニアおよび水蒸気は、排ガスとしてチャンバー１０の排気口１０ａから排出される。
気液分離器１５が上記排ガスを凝縮することによって、アンモニアを含む液体３００が生成され、容器１６に貯留される。容器１６内では、計測器１７が、液体３００に含まれるアンモニア量を計測する。
図５は、計測器１７の計測値の経時的な変化を示すグラフである。図５では、横軸は、半導体基板１００の処理を開始してからの経過時間を示す。横軸は、計測器１７の計測値、すなわち薬液２００のｐＨまたは導電率を示す。
図５に示すように、時間ｔ１で窒化シリコン膜１０１のエッチングが開始されると、アンモニアが発生するので、計測器１７の計測値が増加する。その後、窒化シリコン膜１０１のエッチングが進行すると、アンモニアの発生量が減少するので、計測器１７の計測値は低下する。
計測器１７の計測値は、制御部１８へ入力される。制御部１８は、時間ｔ２で計測値の低下を確認すると、時間ｔ２から一定時間経過した時間ｔ３でエッチングの終了を決定する。この決定により、半導体基板１００は、リフター１４によって、内槽１１１から取り出される。
以上説明した本実施形態によれば、計測器１７が窒化シリコン膜１０１のエッチングで発生するアンモニア量を計測することによって、制御部１８は、窒化シリコン膜１０１のエッチングの進行状態を把握できる。そのため、エッチングの終了時間を半導体基板１００毎に最適化することができる。また、エッチングのばらつきを考慮した処理時間のマージンが不要になるので、装置のスループットを向上させることも可能となる。
(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概略的な構成を示す模式図である。上述した第１実施形態と同様の構成要素には、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
図６に示す基板処理装置２は、第１実施形態に係る基板処理装置１の構成に加えて、供給管２０と、調整弁２１と、を備える。供給管２０は、リン酸を外槽１１２に供給する。また、調整弁２１は、制御部１８の制御に基づいて、供給管２０から外槽１１２へ供給されるリン酸の流量を調整する。
図３（ａ）および図３（ｂ）に示す半導体装置を、薬液２００に浸漬させると、まず、スリット１０３近傍の領域Ｒ１の窒化シリコン膜１０１がエッチングされる。領域Ｒ１のエッチングでは、多くのシリカとアンモニアが発生する。薬液２００内でシリカの濃度が高くなると、酸化シリコンに対する窒化シリコンの選択比が高くなるので、シリカが析出しやすくなる。
そこで、エッチング開始後、計測器１７の計測値が予め設定されたしきい値を超えると、制御部１８は、調整弁２１を開く。これにより、リン酸が外槽１１２に供給される。このリン酸は、循環路１２を通じて内槽１１１に補充される。これにより、薬液２００のシリカ濃度が低くなるので、上記選択比が低くなる。その結果、シリカの析出を抑制することができる。
上記領域Ｒ１のエッチングが終了すると、続いて、領域Ｒ１に隣接するメモリ領域Ｒ２のエッチングが開始される。メモリ領域Ｒ２には、複数のメモリ膜１０４が形成されているので、窒化シリコン膜１０１のエッチング量が少なくなる。そのため、シリカとアンモニアの発生量が少なくなる。その結果、シリカの析出は抑制される一方で、低選択比により窒化シリコン膜１０１だけでなく酸化シリコン膜１０２もエッチングされてしまう。
そこで、計測器１７の計測値が上記しきい値を下回ると、制御部１８は、調整弁２１を制御してリン酸の流量を小さくする。これにより、外槽１１２から内槽１１１へ補充されるリン酸が少なくなるので、薬液２００のシリカ濃度が高くなる。その結果、酸化シリコンに対する窒化シリコンの選択比が高くなるので、酸化シリコン膜１０２のエッチングを抑制することができる。
メモリ領域Ｒ２のエッチングが終了すると、アンモニアの発生も終了する。そのため、制御部１８は、第１実施形態と同様に、計測器１７の計測値に基づいてエッチングの終了を決定する。
以上説明した本実施形態によれば、窒化シリコン膜１０１のエッチングの進行状態に応じて、酸化シリコンに対する窒化シリコンの選択比を半導体基板１００毎に調整することができる。そのため、シリカの析出や酸化シリコン膜１０２のエッチングを抑制する処理条件を半導体基板１００毎に最適化することが可能となる。
(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概略的な構成を示す模式図である。上述した第１実施形態および第２実施形態と同様の構成要素には、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
図７に示す基板処理装置２は、第２実施形態に係る基板処理装置２の構成に加えて、供給管２２と、調整弁２３と、シリコン濃度計２４と、を備える。供給管２２は、シリカが溶け込んだシーズニング液を外槽１１２に供給する。また、調整弁２３は、制御部１８の制御に基づいて、供給管２２から外槽１１２へ供給されるシーズニング液の流量を調整する。シリコン濃度計２４は、外槽１１２に回収された薬液２００のシリコン濃度を計測し、計測結果を制御部１８へ出力する。
図３（ａ）および図３（ｂ）に示す半導体装置に形成された窒化シリコン膜１０１を薬液２００でエッチングする場合、第２実施形態で説明したように、まず、領域Ｒ１の窒化シリコン膜１０１がエッチングされる。このとき、多くのシリカとアンモニアが発生し、酸化シリコンに対する窒化シリコンの選択比が高くなるので、シリカが析出しやすくなる。そのため、シリコン濃度計２４の計測値も高くなる。
そこで、制御部１８は、計測器１７の計測値とシリコン濃度計２４の計測値に基づいて、制御部１８は、調整弁２１を開く一方で調整弁２３を閉じる。調整弁２１が開くと、リン酸が外槽１１２から循環路１２を通じて内槽１１１に補充されるので、薬液２００のシリカ濃度が低くなり、上記選択比が低くなる。また、調整弁２３を閉じると、上記シーズニング液の供給が停止されるので、シリコン濃度の上昇が抑制される。
また、メモリ領域Ｒ２のエッチングでは、アンモニアの発生量が少なくなる。その結果、シリカの析出は抑制される一方で、低選択比により窒化シリコン膜１０１だけでなく酸化シリコン膜１０２もエッチングされてしまう。また、シリコン濃度計２４の計測値も低下する。
そこで、制御部１８は、計測器１７の計測値およびシリコン濃度計２４の計測値に基づいて、調整弁２１および調整弁２３を制御してリン酸の流量を小さくするとともにシーズニング液の流量を大きくする。これにより、シリカ濃度が高くなるので、酸化シリコン膜１０２のエッチングを抑制した選択比の調整が可能となる。その後、制御部１８は、第１実施形態と同様に、計測器１７の計測値に基づいてエッチングの終了を決定する。
以上説明した本実施形態によれば、窒化シリコン膜１０１のエッチングの進行状態に応じて、リン酸およびシリカが溶け込んだシーズニング液の補充量を変化させることによって、酸化シリコンに対する窒化シリコンの選択比を半導体基板１００毎に調整することができる。そのため、シリカの析出や酸化シリコン膜１０２のエッチングを抑制する処理条件を半導体基板１００毎に最適化することが可能となる。
(第４実施形態)
図８は、第４実施形態に係る基板処理装置の概略的な構成を示す模式図である。上述した第１実施形態と同様の構成要素には、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
図８に示す基板処理装置４は、１枚ずつウェハをエッチングする、いわゆる枚葉式のウェットエッチング処理装置である。この基板処理装置４は、チャンバー１０内にステージ３０と、ノズル３１と、を備える。ステージ３０には、１枚の半導体基板１００が載置される。また、ノズル３１は、ステージ３０の上方に設置され、薬液２００を放出する。
基板処理装置４で半導体基板１００に形成された窒化シリコン膜１０１をエッチングする場合、高温のリン酸溶液である薬液２００が、ノズル３１から半導体基板１００に向けて放出される。これにより、第１実施形態と同様に、アンモニアが発生する。
アンモニアは、薬液２００の水分が蒸発した水蒸気とともにチャンバー１０の排気口１０ａから排出される。その後、第１実施形態と同様に、気液分離器１５が、排ガスを凝縮してアンモニアを含む液体３００を生成して、容器１６に供給する。
容器１６内では、計測器１７が、液体３００のアンモニア量を計測し、計測結果を制御部１８へ出力する。制御部１８は、計測器１７の計測値に基づいて半導体基板１００のエッチングの終了を決定する。
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、計測器１７が窒化シリコン膜１０１のエッチングで発生するアンモニア量を計測することによって、制御部１８は、窒化シリコン膜１０１のエッチングの進行状態を把握できる。そのため、エッチングの終了時間を半導体基板１００毎に最適化することができる。また、エッチングのばらつきを考慮した処理時間のマージンが不要になるので、装置のスループットを向上させることも可能となる。
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。
１〜４：基板処理装置、１１：処理槽、１５：気液分離器、１６：容器、１７：計測器、１８ 制御部、１００：半導体基板、２００：薬液

Claims (6)

  1. 基板を処理する薬液を貯留する処理槽と、
    前記処理槽から排出されたガスを気液分離したアンモニアを含む液体を貯留する容器と、
    前記液体に含まれるアンモニア量を経時的に計測する計測器と、
    前記アンモニア量に基づいて前記基板の処理を制御する制御部と、
    を備える基板処理装置。
  2. 前記ガスを凝縮して前記液体を生成して前記容器へ供給する気液分離器をさらに備える、請求項１に記載の基板処理装置。
  3. 前記計測器は、前記液体のｐＨ、導電率、および比抵抗のいずれかを経時的に計測する、請求項１または２に記載の基板処理装置。
  4. 前記制御部は、前記アンモニア量の減少に基づいて前記基板の処理の終了時間を決定する、請求項１から３のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  5. 前記薬液がリン酸溶液であり、
    前記制御部は、前記アンモニア量の変化に応じて、前記処理槽へのリン酸の補充量を調整する、請求項１から４のいずれか１項に記載の基板処理装置。
  6. 処理槽に貯留された薬液で半導体基板を処理し、
    前記処理槽から排出されたガスを気液分離してアンモニアを含む液体を生成し、
    前記液体に含まれるアンモニア量を経時的に計測し、
    前記アンモニア量の計測結果に基づいて前記半導体基板の処理を制御する、
    半導体装置の製造方法。
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