特開 2024-126793 希ガス回収方法、希ガス回収装置、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】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024126793

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】希ガス回収方法、希ガス回収装置、および半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C01B 23/00 20060101AFI20240912BHJP

【ＦＩ】

C01B23/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023035431

(22)【出願日】2023-03-08

(71)【出願人】

【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】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(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

(74)【代理人】

【識別番号】100217940

【弁理士】

【氏名又は名称】三並 大悟

(72)【発明者】

【氏名】水野 央之

(57)【要約】

【課題】希ガスを有効活用することが可能な希ガス回収方法を提供する。
【解決手段】一実施形態に係る希ガス回収方法は、半導体製造装置から排出された希ガスに含まれる不純物の濃度を分析し、濃度の分析結果に応じて、希ガスを複数のタンクのうちのいずれかに貯蔵する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体製造装置から排出された希ガスに含まれる不純物の濃度を分析し、
前記濃度の分析結果に応じて、前記希ガスを複数のタンクのうちのいずれかに貯蔵する、
希ガス回収方法。

【請求項2】

前記希ガスの元素の濃度に応じて、前記希ガスを排気する、請求項１に記載の希ガス回収方法。

【請求項3】

前記不純物は、Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚ（０≦ｘ，ｙ，ｚ）である、請求項１または２に記載の希ガス回収方法。

【請求項4】

複数の半導体製造装置ごとに前記不純物の濃度を測定し、
前記複数のタンクに貯蔵された貯蔵ガスを、前記複数の半導体製造装置ごとに設定された混合割合に基づいて混合する、
請求項１または２に記載の希ガス回収方法。

【請求項5】

半導体製造装置から排出された希ガスを貯蔵可能な複数のタンクと、
前記希ガスに含まれる不純物の濃度を分析し、前記濃度の分析結果に応じて、前記希ガスを複数のタンクのうちのいずれかに貯蔵する分析器と、
を備える、希ガス回収装置。

【請求項6】

不純物の濃度がそれぞれ異なる希ガスを複数のタンクに貯蔵し、
前記複数のタンクに貯蔵された前記希ガスを、半導体製造装置に対して設定された混合割合に基づいて混合し、
混合した希ガスを前記半導体製造装置に導入することによって、半導体装置を製造する、
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、希ガス回収方法、希ガス回収装置、および半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造装置から排出された希ガスをリサイクルする技術が知られている。この技術では、半導体製造装置から排出された希ガスは、回収されて、再びその半導体製造装置に導入される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２－９７００７号公報

【特許文献2】特開２００５－３３６０４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のように希ガスをリサイクルする場合、最初に半導体製造装置に導入される希ガスは、例えば大気から生成される場合がある。この場合、大気から生成されて半導体製造装置に導入される希ガスに含まれる不純物濃度が、半導体製造装置から回収した希ガスに含まれる不純物濃度と異なる可能性がある。そのため、回収された希ガスに含まれる不純物濃度次第では、その半導体製造装置でリサイクルできなくなってしまう。

【0005】

本発明の実施形態は、希ガスを有効活用することが可能な希ガス回収方法、希ガス回収装置、および半導体装置の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

一実施形態に係る希ガス回収方法は、半導体製造装置から排出された希ガスに含まれる不純物の濃度を分析し、濃度の分析結果に応じて、希ガスを複数のタンクのうちのいずれかに貯蔵する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】一実施形態に係る希ガス回収装置の概略的な構造を示すブロック図である。

【図2】測定部の測定結果の一例を示す図である。

【図3】一実施形態に係る希ガス回収装置を用いて製造される半導体装置の概略的な平面図である。

【図4】図３に示す切断線Ａ－Ａに沿った断面図である。

【図5】積層体を形成する工程を示す断面図である。

【図6】メモリホールを形成する工程を示す断面図である。

【図7】メモリ膜を形成する工程を示す断面図である。

【図8】メモリホールを形成する工程を示す断面図である。

【図9】絶縁層を除去する工程を示す断面図である。

【図10】電極層を形成する工程を示す断面図である。

【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】

図１は、一実施形態に係る希ガス回収装置の概略的な構造を示すブロック図である。本実施形態に係る希ガス回収装置１は、複数の半導体製造装置２１、２２、２３から排出された希ガスを回収する装置である。

【0010】

本実施形態では、複数の半導体製造装置２１、２２、２３は、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のエッチング処理を行うエッチング装置である。半導体製造装置２１、２２、２３には、Ｃ_xＨ_yＦ_z（０≦x，y，z）で表される不純物を含んだ希ガスが導入される。希ガスは、例えばクリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）等である。不純物には、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）などが含まれる。

【0011】

半導体製造装置２１のエッチング処理が終了すると、半導体製造装置２１内に残ったガスが、排出ポンプ３１によって排出される。同様に、半導体製造装置２２、２３内に残ったガスは、排出ポンプ３２、３３によってそれぞれ排出される。

【0012】

排出ポンプ３１によって排出されたガスは、希ガス分離器４１に流入する。同様に、排出ポンプ３２、３３によって排出されたガスは、希ガス分離器４２、４３にそれぞれ流入する。希ガス分離器４１、４２、４３は、流入したガスから希ガスを分離する。ただし、希ガスを完全に分離することは困難である。そのため、希ガス分離器４１、４２、４３によって分離された希ガスには、不純物も含まれている。この不純物を含んだ希ガスが、希ガス回収装置１に回収される。

【0013】

希ガス回収装置１は、分析器１０と、弁１３と、タンク１４ａ、１４ｂ、１４ｃと、排気ダクト１５と、ブレンダ１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、を有する。希ガス回収装置１には、タンクおよびブレンダが３台ずつ設けられているが、これらの台数は２台以上であればよい。

【0014】

分析器１０は、測定部１１および制御部１２を有する。測定部１１は、各半導体製造装置から各希ガス分離器を経由して排出された希ガスの濃度およびその希ガスに含まれる不純物の濃度を測定する。この不純物の濃度は、例えば、ＦＴＩＲ（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）、ＲＧＡ（Residual Gas Analyzer）、およびＧＣＭＳ（Gas Chromatography Mass spectrometry）などで構成されている。

【0015】

ＦＴＩＲは、試料ガスの赤外線吸収スペクトルを測定し、そのピーク位置や高さからガス成分や量を推定する方法である。ＦＴＩＲによれば、短時間かつ広いレンジで不純物濃度を測定することが可能となる。ＦＴＩＲが測定部１１に設けられていると、測定部１１は、各希ガス分離器から流出した希ガス中の不純物をリアルタイムで監視し、その濃度に基づいて、タンク１４ａ、１４ｂ、１４ｃの中から希ガスの貯蔵先を選択する。

【0016】

ＲＧＡは、試料ガス中の分子または原子をイオン化し、質量ごとにイオン電流を測定する方法である。ＲＧＡによれば、分子量ごとに分子数が測定されるため、ガス種や量を特定しやすくなる。ＲＧＡが測定部１１に設けられていると、測定部１１は、ＦＴＩＲで同定できないガスの種類を同定することができる。この場合、測定部１１では、タンク１４ａ、１４ｂ、１４ｃへの希ガスの貯蔵条件が更新され、ＦＴＩＲにフィードバックされる。

【0017】

ＧＣＭＳは、固定相の通過時間がガスによって異なる特性を利用して、固定相に試料ガスを通し、その通過時間に基づいて成分を同定する。ＧＣＭＳが測定部１１に設けられていると、測定部１１は、タンク１４ａ、１４ｂ、１４ｃに貯蔵された希ガス（クリプトン）の不純物濃度をオンラインまたはオフラインで定期的にモニタリングする。

【0018】

制御部１２は、測定部１１の測定結果に基づいて、各希ガス分離器からの排出ガスの行先を、タンク１４ａ、１４ｂ、１４ｃのいずれかに貯蔵するかまたは排気ダクト１５を介して排気することを選択する。続いて、制御部１２は、上記排気ガスが、選択先に流れるように弁１３の開閉を制御する。

【0019】

排出ガスの選択先がタンク１４ａである場合、制御部１２は、タンク１４ａに連通する弁１３を開き、残りの弁１３を閉じる。排出ガスの選択先がタンク１４ｂである場合、制御部１２は、タンク１４ｂに連通する弁１３を開き、残りの弁１３を閉じる。排出ガスの選択先がタンク１４ｃである場合、制御部１２は、タンク１４ｃに連通する弁１３を開き、残りの弁１３を閉じる。排出ガスの選択先が排気ダクト１５である場合、制御部１２は、排気ダクト１５に連通する弁１３を開き、残りの弁１３を閉じる。

【0020】

図２は、測定部１１の測定結果の一例を示す図である。図２には、測定部１１によって測定されたＫｒ濃度Ｋ、ＣＦ_４濃度Ｃ、およびＮ_２濃度Ｎの経時的な変化の一例が示されている。Ｋｒ濃度Ｋは、希ガス分離器４１、４２、４３のいずれかの排出ガスに含まれるクリプトン濃度である。また、ＣＦ_４濃度とＮ_２濃度は、上記排出ガスに含まれる不四フッ化炭素濃度および窒素濃度である。クリプトンは希ガスの一例である。四フッ化炭素および窒素は不純物の一例である。

【0021】

本実施形態では、Ｋｒ濃度Ｋ、ＣＦ_４濃度Ｃ、およびＮ_２濃度Ｎのそれぞれに応じて、排出ガスの行先が設定されている。例えば、Ｋｒ濃度Ｋがしきい値Ｋ_ｔｈ１よりも高い範囲では、排出ガスの行先は、タンク１４ａに設定される。Ｋｒ濃度Ｋが、しきい値Ｋ_ｔｈ１以下でかつしきい値Ｋ_ｔｈ２よりも高い範囲では、排出ガスの行先は、タンク１４ｂに設定される。Ｋｒ濃度Ｋがしきい値Ｋ_ｔｈ２以下の範囲では、排出ガスの行先は、排気ダクト１５に設定される。

【0022】

また、ＣＦ_４濃度Ｃがしきい値Ｃ_ｔｈ１以下の範囲では、排出ガスの行先は、タンク１４ａに設定される。ＣＦ_４濃度Ｃが、しきい値Ｃ_ｔｈ１よりも高くてしきい値Ｃ_ｔｈ２以下である範囲では、排出ガスの行先は、タンク１４ｂに設定される。なお、本実施形態では、排出ガスのＣＦ_４濃度Ｃがしきい値Ｃ_ｔｈ２に達すると、その排出ガスを排出した希ガス分離器のメンテナンスを行う。これにより、排出ガスのＣＦ_４濃度Ｃは、しきい値Ｃ_ｔｈ１よりも低くなる。

【0023】

また、Ｎ_２濃度Ｎがしきい値Ｎ_ｔｈ１以下の範囲では、排出ガスの行先は、タンク１４ａに設定される。Ｎ_２濃度Ｎが、しきい値Ｎ_ｔｈ１よりも高くてしきい値Ｎ_ｔｈ２以下である範囲では、排出ガスの行先は、タンク１４ｂに設定される。Ｎ_２濃度Ｎが、しきい値Ｎ_ｔｈ２よりも高い範囲では、排出ガスの行先は、タンク１４ｃに設定される。

【0024】

本実施形態では、図２に示すように、時刻０～時刻ｔ１、時刻ｔ２～時刻ｔ３、時刻ｔ５～時刻ｔ６、および時刻ｔ７～時刻ｔ８の期間では、Ｋｒ濃度Ｋ、ＣＦ_４濃度Ｃ、およびＮ_２濃度Ｎの全てがタンク１４ａの貯蔵条件を満たす。そのため、これらの期間では、排出ガスは、タンク１４ａに貯蔵される。

【0025】

また、時刻ｔ１～時刻ｔ２、時刻ｔ３～時刻ｔ４、時刻ｔ６～時刻ｔ７、および時刻ｔ８～時刻ｔ９の期間では、ＣＦ_４濃度ＣとＮ_２濃度Ｎの少なくとも１つが、タンク１４ｂの貯蔵条件を満たす。そのため、これらの期間では、排出ガスは、タンク１４ｂに貯蔵される。

【0026】

また、時刻ｔ４～時刻ｔ５では、Ｎ_２濃度Ｎがタンク１４ｃの貯蔵条件を満たす。そのため、これらの期間では、排出ガスは、タンク１４ｃに貯蔵される。

【0027】

さらに、時刻ｔ９～時刻ｔ１０では、Ｋｒ濃度Ｋが、排気条件を満たす。そのため、この期間では、排出ガスは、排気ダクト１５を介して排気される。

【0028】

上記のように、本実施形態では、希ガス（クリプトン）の濃度よりも不純物濃度を優先して、排出ガスを貯蔵するタンクが選択される。また、不純物濃度よりも希ガス（クリプトン）の濃度を優先して、排出ガスを排気することが選択される。

【0029】

タンク１４ａ～タンク１４ｃの貯蔵ガスは、ブレンダ１６ａ、１６ｂ、１６ｃでそれぞれ混合される。本実施形態では、希ガス生成装置５０で生成された希ガスも貯蔵ガスと共に混合される場合がある。希ガス生成装置５０は、例えば大気からクリプトンを生成する。

【0030】

ブレンダ１６ａは、半導体製造装置２１のエッチング条件に基づいて設定された混合割合でガスを混合する。この混合割合は、例えば、タンク１４ａ：タンク１４ｂ：タンク１４ｃ：希ガス生成装置５０＝０：０：１００：０に設定される。

【0031】

また、ブレンダ１６ｂは、半導体製造装置２２のエッチング条件に基づいて設定された混合割合でガスを混合する。この混合割合は、例えば、タンク１４ａ：タンク１４ｂ：タンク１４ｃ：希ガス生成装置５０＝０：６０：４０：０に設定される。

【0032】

さらに、ブレンダ１６ｃは、半導体製造装置２３のエッチング条件に基づいて設定された混合割合でガスを混合する。この混合割合は、例えば、タンク１４ａ：タンク１４ｂ：タンク１４ｃ：希ガス生成装置５０＝５０：０：０：５０に設定される。

【0033】

以下、上述した希ガス回収装置１を用いて製造される半導体装置について説明する。ここでは、３次元構造のメモリセルアレイを有する半導体記憶装置を説明する。この半導体記憶装置は、データの消去および書き込みを電気的に自由に行うことができ、電源を切っても記憶内容を保持することができるＮＡＮＤ型不揮発性半導体記憶装置である。なお、以下の説明では、相互に直交する２つの平面方向をＸ方向およびＹ方向とする。また、Ｘ方向およびＹ方向に対して直交する鉛直方向をＺ方向とする。

【0034】

図３は、本実施形態に係る希ガス回収装置１を用いて製造される半導体装置の概略的な平面図である。図３に示す半導体装置１０１は、複数のセル領域１１１が設けられている。また、セル領域１１１の間は、スリット１１２によって分断されている。各セル領域１１１には、複数のメモリ膜１１３が形成されている。ここで、図４を参照して、半導体装置１０１の断面構造を説明する。

【0035】

図４は、図３に示す切断線Ａ－Ａに沿った断面図である。図４に示すように、スリット１１２およびメモリ膜１１３は、積層体２００をＺ方向に貫通している。積層体２００では、電極層２０１と絶縁層２０２とがＺ方向に交互に積層されている。電極層２０１は、ワードラインとして機能し、例えばタングステン（Ｗ）等の金属層で構成される。一方、絶縁層２０２は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層で構成される。

【0036】

また、メモリ膜１１３では、図示されていないが、酸化膜、ブロック絶縁膜、電荷蓄積膜、トンネル絶縁膜、チャネル膜、およびコア絶縁膜が積層されている。酸化膜は、メモリ膜１１３の最も外側に成膜され、電極層２０１および絶縁層２０２に接する。酸化膜は、例えばＨｉｇｈ－ｋ材料（高誘電率絶縁材料）を用いて形成することができる。ブロック絶縁膜は、酸化膜の内側に成膜される。ブロック絶縁膜は、例えば酸化シリコン膜である。電荷蓄積膜は、ブロック絶縁膜の内側に成膜される。電荷蓄積膜は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜である。トンネル絶縁膜は、電荷蓄積膜の内側に成膜される。トンネル絶縁膜は、例えば酸化シリコン膜である。チャネル膜は、トンネル絶縁膜の内側に成膜される。チャネル膜は、例えばポリシリコン膜である。コア絶縁膜は、チャネル膜の内側に成膜される。コア絶縁膜は、例えば酸化シリコン膜である。

【0037】

スリット１１２は、例えば酸化シリコン膜である。なお、スリット１１２内では、配線として用いられる金属層がＺ方向に延びていてもよい。

【0038】

以下、図５～図１０を参照して、上記のように構成された半導体装置１０１の製造方法について説明する。

【0039】

まず、図５に示すように、積層体２００ａを形成する。積層体２００ａでは、平板状の複数の絶縁層２０１ａ（第１絶縁層）と複数の絶縁層２０２（第２絶縁層）とがＺ方向に交互に積層されている。絶縁層２０１ａは、例えば窒化シリコンを含む。積層体２００ａは、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）またはＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）によって形成することができる。

【0040】

次に、図６に示すように、Ｚ方向に積層体２００ａを貫通するメモリホール１１３ａを形成する。メモリホール１１３ａは、上述したメモリ膜１１３の配置場所に形成される。メモリホール１１３ａは、半導体製造装置２１、２２、２３のうちのいずれかで形成される。

【0041】

例えば、メモリホール１１３ａが半導体製造装置２１で形成される場合、ブレンダ１６ａは、メモリホール１１３ａの形成に適した不純物濃度の混合割合でガスを混合する。この混合ガスがブレンダ１６ａから半導体製造装置２１に導入されることによって、メモリホール１１３ａが積層体２００ａに形成される。

【0042】

次に、図７に示すように、メモリホール１１３ａ内にメモリ膜１１３を形成する。本実施形態では、メモリ膜１１３は、通常用いられる方法で成膜される。そのため、ここでは、メモリ膜１１３の成膜工程の説明は省略する。

【0043】

次に、図８に示すように、積層体２００ａにスリットホール１１２ａを形成する。スリットホール１１２ａは、上述したスリット１１２の配置場所に形成される。スリットホール１１２ａは、半導体製造装置２１、２２、２３のうち、メモリホール１１３ａを形成した装置とは別の装置で形成される。

【0044】

例えば、スリットホール１１２ａが半導体製造装置２２で形成される場合、ブレンダ１６ｂは、スリットホール１１２ａの形成に適した不純物濃度の混合割合でガスを混合する。この混合ガスがブレンダ１６ｂから半導体製造装置２２に導入されることによって、スリットホール１１２ａが積層体２００ａに形成される。

【0045】

次に、図９に示すように、絶縁層２０１ａを除去する。絶縁層２０１ａは、例えば、リン酸等の薬液を用いたウェットエッチングにより除去することができる。

【0046】

次に、図１０に示すように、絶縁層２０１ａの除去箇所に電極層２０１を形成する。絶縁層２０１ａが電極層２０１に置換される。

【0047】

最後に、図４に戻って、スリットホール１１２ａ内にスリット１１２を形成する。これにより、半導体装置１０１が完成する。

【0048】

上述した本実施形態によれば、分析器１０が各半導体製造装置から排出された希ガスに含まれる不純物濃度を分析する。また、希ガスは、不純物濃度の分析結果に応じて、それぞれ異なるタンクに貯蔵される。さらに、タンクの貯蔵ガスが、半導体製造装置のプロセス条件に基づいて適切に混合される。よって、希ガスを有効活用することができる。

【0049】

なお、本実施形態では、半導体製造装置２１、２２、２３は、エッチング装置であるが、例えば、ＣＶＤまたはＡＬＤ等の成膜処理を行う成膜装置であってもよい。この成膜装置は、例えば、希ガスをヘリウム（Ｈｅ）またはネオン（Ｎｅ）にすることによって、上述した積層体２００ａを形成する工程に用いることができる。

【0050】

さらに、半導体製造装置２１、２２、２３は、２つの基板を貼り合わせる貼合装置であってもよい。この貼合装置は、例えば、上述したメモリ膜１１３が形成されたメモリ基板と、メモリ膜１１３の駆動回路が形成された回路基板とを、貼り合わせる貼合工程に用いることができる。

【0051】

なお、特許請求の範囲に記載された半導体装置およびその製造方法は、以下の付記に記載されている構成であってもよい。

【0052】

（付記１）
前記希ガスの元素が、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）、またはネオン（Ｎｅ）である、請求項１に記載の希ガス回収方法。
（付記２）
前記混合割合に、大気から生成された希ガスも含まれている、請求項４に記載の希ガス回収方法。
（付記３）
前記半導体製造装置が、エッチング装置である、請求項１に記載の希ガス回収方法。
（付記４）
前記半導体製造装置が、成膜装置である、請求項１に記載の希ガス回収方法。
（付記５）
前記半導体製造装置が、２枚の基板を貼り合わせる装置である、請求項１に記載の希ガス回収方法。
（付記６）
前記希ガスの元素の濃度に応じて、前記希ガスを排気する排気ダクトをさらに備える、請求項５に記載の希ガス回収装置。
（付記７）
前記分析器は、複数の半導体製造装置ごとに前記不純物の濃度を測定し、
前記複数のタンクに貯蔵された貯蔵ガスを、前記複数の半導体製造装置ごとに設定された混合割合に基づいて混合するブレンダをさらに備える、請求項５に記載の希ガス回収装置。
（付記８）
前記希ガスを前記半導体製造装置に導入することによって、第１絶縁層と第２絶縁層とが交互に積層された積層体を貫通するホールを形成する、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。

【0053】

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】

【0054】

１：希ガス回収装置
１０：分析器１０
１１：測定部
１２：制御部
１３：弁
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ：タンク
１５：排気ダクト
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ：ブレンダ
２１、２２、２３：半導体製造装置
５０：希ガス生成装置
１０１：半導体装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】