特許 6856478 半導体製造装置および半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6856478

(24)【登録日】2021年3月22日

(45)【発行日】2021年4月7日

(54)【発明の名称】半導体製造装置および半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/31 20060101AFI20210329BHJP

   C23C 16/455 20060101ALI20210329BHJP

   C23C 16/452 20060101ALI20210329BHJP

   H01L 21/285 20060101ALI20210329BHJP

   H01L 21/316 20060101ALN20210329BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/31 B

   C23C16/455

   C23C16/452

   H01L21/285 C

   !H01L21/316 X

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-172362(P2017-172362)

(22)【出願日】2017年9月7日

(65)【公開番号】特開2019-50236(P2019-50236A)

(43)【公開日】2019年3月28日

【審査請求日】2019年11月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】キオクシア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100118843

【弁理士】

【氏名又は名称】赤岡 明

(72)【発明者】

【氏名】相宗 史記

(72)【発明者】

【氏名】高橋 検世

(72)【発明者】

【氏名】飯野 知久

【審査官】 長谷川 直也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２２２７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０７４４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０１７４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２６４１５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２０４１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０２２２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−００５０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１４９２１１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５、２１／３１−２１／３２、２１／２８５、

２１／３６５、２１／４６９−２１／４７５、２１／８６、

Ｃ２３Ｃ １６／００−１６／５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被処理基板を中心軸以外の円周上に搭載する円形の回転可能な支持台を有し、
前記被処理基板表面上へ前駆体ガスを供給する前記支持台の径方向かつ、上方に設けられた前駆体ガス供給ノズルと、
前記被処理基板表面上へ反応ガスを供給する前記支持台の径方向かつ、上方に設けられた反応ガス供給ノズルと、
前記被処理基板表面上へ水素ラジカルを供給する前記支持台の径方向かつ、上方に設けられた水素ラジカルノズルと、
前記前駆体ガス供給ノズルと前記反応ガス供給ノズルとの間であって、前記支持台の径方向かつ、上方に設けられた第１不活性ガスノズルと、
前記前駆体ガス供給ノズルと前記反応ガス供給ノズルとの間であって、前記支持台の径方向かつ、上方に設けられた第２不活性ガスノズルと、
前記水素ラジカルノズルと前記前駆体ガス供給ノズルとの間であって、前記支持台の径方向かつ、上方に設けられた第３不活性ガスノズルと、
支持台中央部において前記水素ラジカルノズルへ電流を供給する電源供給部とを有し、
前記前駆体ガス供給ノズルから見て、前記第１不活性ガスノズル、前記反応ガス供給ノズル、前記第２不活性ガスノズル、前記水素ラジカルノズル、前記第３不活性ガスノズルは順に被処理基板の回転移動方向に配置されていて、
前記水素ラジカルノズルは螺旋状の金属触媒を有する金属線を内部に有し、この金属線へは前記電源供給部から電流を流すことにより水素ガスを活性化して前記被処理基板表面上へ供給し、
所定回数支持台を回転させることにより被処理基板上にＡＬＤ成膜を行う半導体製造装置。

【請求項2】

前記電源供給部が可変電源である、請求項１に記載の半導体製造装置。

【請求項3】

前記前駆体ガス供給ノズル、前記反応ガス供給ノズル、前記第１乃至第３不活性ガスノズル、および前記水素ラジカルノズルの各々は、前記径方向に沿って設けられた複数の放出口を有する、請求項１または２に記載の半導体製造装置。

【請求項4】

前記金属触媒がタングステンである、請求項１から３のいずれかに記載の半導体製造装置。

【請求項5】

被処理基板を中心軸以外の円周上に搭載する円形の回転可能な支持台を有し、
前記被処理基板表面上へ前駆体ガスを供給する前記支持台の径方向かつ、上方に設けられた前駆体ガス供給ノズルと、
前記被処理基板表面上へ反応ガスを供給する前記支持台の径方向かつ、上方に設けられた反応ガス供給ノズルと、
前記被処理基板表面上へ水素ラジカルを供給する前記支持台の径方向かつ、上方に設けられた水素ラジカルノズルと、
前記前駆体ガス供給ノズルと前記反応ガス供給ノズルとの間であって、前記支持台の径方向かつ、上方に設けられた第１不活性ガスノズルと、
前記前駆体ガス供給ノズルと前記反応ガス供給ノズルとの間であって、前記支持台の径方向かつ、上方に設けられた第２不活性ガスノズルと、
前記水素ラジカルノズルと前記前駆体ガス供給ノズルとの間であって、前記支持台の径方向かつ、上方に設けられた第３不活性ガスノズルと、
支持台中央部において前記水素ラジカルノズルへ電流を供給する電源供給部とを有し、
前記前駆体ガス供給ノズルから見て、前記第１不活性ガスノズル、前記反応ガス供給ノズル、前記第２不活性ガスノズル、前記水素ラジカルノズル、前記第３不活性ガスノズルは順に被処理基板の回転移動方向に配置されている半導体製造装置を用いて半導体装置を製造する方法であって、
前記水素ラジカルノズルは螺旋状の金属触媒を有する金属線を内部に有し、この金属線へは前記電源供給部から電流を流すことにより水素ガスを活性化して前記被処理基板表面上へ供給し、
所定回数支持台を回転させることにより被処理基板上にＡＬＤ成膜を行う、
半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）方式で基板に成膜するとき、ハロゲン元素を含んだ処理ガスを用いる場合がある。このハロゲン元素は、成膜後に不要になる。そのため、基板に付着したハロゲン元素を脱離する手段として、例えば不活性ガスが用いられる。

【0003】

しかし、ハロゲン元素の活性化エネルギーは大きい。そのため、不活性ガスのみでハロゲン元素を脱離するには、多くの時間を要する。したがって、成膜プロセスの時間を短縮することは困難である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−７４４１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の実施形態は、ＡＬＤ方式による成膜プロセスの時間を短縮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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本実施形態に係る半導体製造装置は、チャンバーと、処理ガスノズルと、不活性ガスノズルと、水素ラジカルノズルと、を備える。チャンバーは、少なくとも１枚の基板を収容可能である。処理ガスノズルは、チャンバー内で基板に向けて処理ガスを放出する。不活性ガスノズルは、チャンバー内で基板に向けて不活性ガスを放出する。水素ラジカルノズルは、チャンバー内に配置され、水素を含んだ原料ガスを加熱して水素ラジカルを生成し、生成した水素ラジカルを不活性ガスの放出中に基板に向けて放出する。水素ラジカルノズル内に金属線が設けられ、金属線は、水素ラジカルの生成を励起する金属触媒を含む。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態に係る半導体製造装置の概略的な平面図である。

【図2】第１実施形態に係る半導体製造装置の要部を概略的に示す図である。

【図3】基板に成膜する工程のフローチャートである。

【図4】第２実施形態に係る半導体製造装置の概略的な平面図である。

【図5】第２実施形態に係る半導体製造装置の要部を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

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。

【0009】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体製造装置の概略的な平面図である。また、図２は、第１実施形態に係る半導体製造装置の要部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、ＡＬＤ方式で複数の基板１００に一括に成膜するバッチ式ＡＬＤ装置である。具体的には、半導体製造装置１は、チャンバー１０と、ノズル１１〜１４と、支持部材３０と、可変電源４０と、を備える。

【0010】

チャンバー１０は、ノズル１１〜１４および支持部材３０を収容する。チャンバー１０内は、真空状態にすることができる。チャンバー１０内では、柱状の支持部材３０が、複数の基板１００を積層状態で支持する。支持部材３０は、基板１００を支持した状態で回転可能である。

【0011】

ノズル１１は、前駆体ガス２０１を放出する。ノズル１２は、反応化合物ガス２０２を放出する。ノズル１１およびノズル１２は、処理ガスノズルに相当する。また、前駆体ガス２０１および反応化合物ガス２０２は、ウェハ状の基板１００に成膜するための処理ガスに相当する。例えば、基板１００に酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を成膜する場合、前駆体ガス２０１は塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）を含み、反応化合物ガス２０２はオゾン（Ｏ_３）を含む。また、基板１００に窒化チタン（ＴｉＮ）を成膜する場合、前駆体ガス２０１は四塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）を含み、反応化合物ガス２０２はアンモニア（ＮＨ_３）を含む。

【0012】

ノズル１３は、不活性ガス２０３を放出する不活性ガスノズルに相当する。不活性ガス２０３には、例えば、窒素（Ｎ_２）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等が用いられる。

【0013】

ノズル１４は、水素ラジカル２０４を放出する水素ラジカルノズルに相当する。ここで、図２を参照してノズル１４の構造について説明する。図２に示すように、ノズル１４には、水素ラジカル２０４の原料となる原料ガス２０５が供給される。原料ガス２０５には、例えば、水素ガス、アンモニアガス等が用いられる。

【0014】

また、ノズル１４は、水素ラジカル２０４を放出する複数の放出口１４１を有する。複数の放出口１４１は、基板１００の積層方向、換言すると鉛直方向に沿って設けられている。放出口１４１は、基板１００に個別に対応している。好ましくは、各放出口１４１は、基板１００の表面に向けて水素ラジカル２０４を放出するように位置決めされている。なお、放出口１４１と同様の放出口は、他のノズルにも設けられている。

【0015】

ノズル１４内には、金属線１４２が設けられている。金属線１４２は、可変電源４０に接続されている。可変電源４０が電流を金属線１４２に供給すると、金属線１４２は発熱する。これにより、原料ガス２０５は加熱される。その結果、水素ラジカル２０４が生成される。このとき、金属線１４２は、水素ラジカル２０４の生成を励起する金属触媒、例えばタングステンを含んでいるので、水素ラジカル２０４の生成が促進される。

【0016】

ノズル１４内における金属線１４２の形状は、少なくとも放出口１４１の近傍で水素ラジカル２０４を生成できる形状であればよい。そのため、金属線１４２の形状は、本実施形態のように螺旋状であってもよいし、他の形状、例えば直線状であってもよい。

【0017】

以下、上述した半導体製造装置１を用いた半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、基板１００の成膜プロセスについて説明する。なお、この成膜プロセスでは、支持部材３０は、ノズル１１〜１４の内側で回転している。

【0018】

図３は、基板１００に成膜する工程のフローチャートである。まず、ハロゲン元素（例えば塩素）を含んだ前駆体ガス２０１が、ノズル１１から各基板１００に向けて放出される（ステップＳ１）。その結果、前駆体ガス２０１の一部は、各基板１００の表面に堆積する。

【0019】

続いて、不活性ガス２０３がノズル１３から各基板１００に向けて放出される（ステップＳ２）。これにより、チャンバー１０内で浮遊している前駆体ガス２０１がパージされる。

【0020】

次に、反応化合物ガス２０２がノズル１２から各基板１００に向けて放出される（ステップＳ３）。これにより、前駆体ガス２０１と反応化合物ガス２０２との化学反応が起こり、化合物が各基板１００の表面に堆積する。

【0021】

次に、不活性ガス２０３が、再びノズル１３から放出される（ステップＳ４）。これにより、チャンバー１０内で浮遊している前駆体ガス２０１と反応化合物ガス２０２がパージされる。

【0022】

上記ステップＳ４と並行して、可変電源４０が電流を金属線１４２へ供給する。電流供給によって金属線１４２は発熱し、発生した熱によって原料ガス２０５は加熱される。その結果、水素ラジカル２０４がノズル１４内で生成される。このとき、金属線１４２に含まれた金属触媒によって、水素ラジカル２０４の生成が促進される。その後、生成された水素ラジカル２０４は、各放出口１４１から各基板１００に向けて放出される（ステップＳ５）。

【0023】

放出された水素ラジカル２０４は、基板１００の表面に付着したハロゲン元素（本実施形態では塩素）の脱離を補助する。脱離されたハロゲン元素は、不活性ガス２０３によって、前駆体ガス２０１または反応化合物ガス２０２に含まれた他の元素とともにパージされる。

【0024】

ステップＳ５において、水素ラジカル２０４の生成は、原料ガス２０５の加熱温度に影響される。この加熱温度は、金属線１４２に供給される電流と関連している。したがって、可変電源４０で電流を調整することによって、水素ラジカル２０４の生成を最適化することができる。

【0025】

上記のようにして水素ラジカル２０４が放出された後は、上述したステップＳ１〜Ｓ５の動作が予め設定された回数繰り返される。その結果、所定の厚さを有する膜が、各基板１００の表面に形成される。

【0026】

以上説明した本実施形態によれば、ノズル１４内に設けられた金属線１４２を加熱することによって水素ラジカル２０４が生成され、生成された水素ラジカル２０４は基板１００に向けて放出される。この水素ラジカル２０４が、基板１００の表面に付着したハロゲン元素の脱離を補助するので、不活性ガス２０３の放出時間を従来よりも短縮することができる。その結果、成膜プロセスの時間を短縮することが可能となる。

【0027】

また、本実施形態では、ノズル１４がチャンバー１０内に設けられている。そのため、ノズル１４から基板１００までの距離が短い。そのため、ノズル１４内で生成された水素ラジカル２０４が、直ちに基板１００に向けて放出されるので、ハロゲン元素をより迅速に脱離することができる。

【0028】

また、本実施形態では、ノズル１４には複数の放出口１４１が、複数の基板１００に対して個別に設けられている。そのため、水素ラジカル２０４を局所的に放出することができる。その結果、水素ラジカル２０４を有効にハロゲン元素の脱離に用いることができる。

【0029】

(第２実施形態)
図４は、第２実施形態に係る半導体製造装置の概略的な平面図である。本実施形態に係る半導体製造装置２は、ＡＬＤ方式で１枚の基板に成膜する枚葉式ＡＬＤ装置である。具体的には、半導体製造装置２は、チャンバー２０と、ノズル２１〜２４と、支持部材３１と、可変電源４０と、を備える。

【0030】

チャンバー２０は、各ノズルおよび支持部材３０を収容する。チャンバー２０は、真空状態にすることができる。チャンバー２０内では、円形の支持部材３１が、基板１００を支持している。支持部材３１が回転すると、基板１００は、回転方向Ｒに沿って回転移動する。

【0031】

各ノズルは、支持部材３１の上方で回転方向Ｒに沿って互いに離れて配置されている。換言すると、各ノズルは、支持部材３１の回転の中心から放射状に延びている。

【0032】

ノズル２１およびノズル２２は、第１実施形態で説明したノズル１１およびノズル１２に相当する。すなわち、ノズル２１は前駆体ガス２０１を放出し、ノズル２２は反応化合物ガス２０２を放出する。

【0033】

ノズル２３ａは、ノズル２１とノズル２２との間に配置されている。ノズル２３ｂは、ノズル２２とノズル２４との間に配置されている。ノズル２３ｃは、ノズル２４とノズル２１との間に配置されている。ノズル２３ａ〜２３ｃは、第１実施形態で説明したノズル１３に相当する。すなわち、ノズル２３ａ〜２３ｃは、不活性ガス２０３を放出する。本実施形態では、ノズル２３ａ〜２３ｃは、常時、不活性ガス２０３を放出している。そのため、ノズル２３ａ〜２３ｃは、パージガスとしての機能に加えて、前駆体ガス２０１、反応化合物ガス２０２、および水素ラジカル２０４による処理領域を仕切る機能も有する。

【0034】

ノズル２４は、第１実施形態で説明したノズル１４に相当する。ここで、図５を参照してノズル２４の構造について説明する。図５に示すように、ノズル２４には、水素を含んだ原料ガス２０５が供給される。また、ノズル２４は、複数の放出口２４１を放出する。複数の放出口２４１は、支持部材３１の回転の中心に対して径方向Ｄ（図４参照）に沿って設けられている。各放出口２４１は、水素ラジカル２０４を基板１００の表面に向けて放出する。なお、他のノズルにも、放出口２４１と同様の放出口が設けられている。

【0035】

さらに、ノズル２４内には、金属線２４２が設けられている。金属線２４２は、第１実施形態で説明した金属線１４２と同様に、可変電源４０に接続されている。また、水素ラジカル２０４の生成を励起する金属触媒、例えばタングステンを含んでいる。

【0036】

以下、上述した半導体製造装置２を用いた半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、基板１００の成膜プロセスについて説明する。この成膜プロセスのフローは、第１実施形態で説明した成膜プロセスのフローと同様である。ただし、本実施形態では、前駆体ガス２０１、反応化合物ガス２０２、不活性ガス２０３、および水素ラジカル２０４は、常時、対応するノズルから放出されている。

【0037】

まず、基板１００がノズル２１に対向しているときに、前駆体ガス２０１がノズル２１から基板１００に向けて放出される。所定時間が経過すると、支持部材３１が回転方向Ｒに回転する。これにより、基板１００は、ノズル２３ａに対向する位置へ移動する。この位置で、不活性ガス２０３がノズル２３ａから基板１００に向けて放出される（ステップＳ２）。

【0038】

その後、支持部材３１が回転方向Ｒに回転する。これにより、基板１００はノズル２２に対向する位置へ移動する。この位置で、反応化合物ガス２０２がノズル２２から基板１００に向けて放出される（ステップＳ３）。

【0039】

その後、支持部材３１が回転方向Ｒに回転する。これにより、基板１００は、ノズル２３ｂに対向する位置へ移動する。この位置で、不活性ガス２０３がノズル２３ｂから基板１００に向けて放出される（ステップＳ４）。

【0040】

その後、支持部材３１が回転方向Ｒに回転する。これにより、基板１００は、ノズル２４に対向する位置に移動する。この位置で、水素ラジカル２０４がノズル２４から基板１００に向けて放出される（ステップＳ５）。続いて、支持部材３１の回転に伴って、基板１００は、再びノズル２１に対向する位置へ戻る。その後、支持部材３１の回転が予め設定された回数繰り返されることによって、所定の厚さを有する膜が、基板１００の表面に形成される。

【0041】

以上説明した本実施形態によれば、ノズル２４内に設けられた金属線２４２を加熱することによって生成された水素ラジカル２０４によって、基板１００の表面に付着したハロゲン元素の脱離が促進される。そのため、不活性ガス２０３の放出時間を従来よりも短縮することができる。したがって、基板１００を１枚ずつ処理する枚葉式のＡＬＤ装置であっても、成膜プロセスの時間を短縮することが可能となる。

【0042】

また、本実施形態においても、ノズル２４がチャンバー２０内に設けられている。そのため、ノズル２４内で生成された水素ラジカル２０４を直ちに基板１００に向けて放出でき、これによりハロゲン元素をより迅速に脱離することができる。

【0043】

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。

【符号の説明】

【0044】

１０，２０ チャンバー、１１，１２，２１，２２ ノズル（処理ガスノズル）、１３，２３ａ〜２３ｃ ノズル（不活性ガスノズル）、１４，２４ ノズル（水素ラジカルノズル）、３０，３１ 支持部材、４０ 可変電源、１４１，２４１ 放出口、１４２，２４２ 金属線、１００ 基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】