特許 7463238 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】

(24)【登録日】2024-03-29

(45)【発行日】2024-04-08

(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 21/3065 20060101AFI20240401BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20240401BHJP

   H01L 29/788 20060101ALI20240401BHJP

   H01L 29/792 20060101ALI20240401BHJP

   H10B 41/27 20230101ALI20240401BHJP

   H10B 43/27 20230101ALI20240401BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 105A

H01L29/78 371

H10B41/27

H10B43/27

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020150725

(22)【出願日】2020-09-08

(65)【公開番号】P2022045178

(43)【公開日】2022-03-18

【審査請求日】2023-03-15

(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】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(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

(74)【代理人】

【識別番号】100124372

【弁理士】

【氏名又は名称】山ノ井 傑

(72)【発明者】

【氏名】高橋 篤史

【審査官】加藤 芳健

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－０２７７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０５９７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１１０２７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００５／１０６９３６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０６－０２９２６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ１０Ｂ ４３／２７

Ｈ１０Ｂ ４１／２７

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に第１膜を形成し、
炭素元素およびフッ素元素を含む第１ガスを用いて前記第１膜をエッチングすることで、前記第１膜内に凹部を形成し、かつ、前記凹部内にフッ素元素を含む第２膜を形成し、
前記第２膜を第２ガスまたは液体に晒すことで処理する、
ことを含み、
前記第２ガスまたは前記液体は、前記第２膜中のフッ素濃度を低減し、かつ硫化水素、フッ化硫黄、および硫化カルボニルの少なくともいずれかを含み、
前記第２膜の処理は、プラズマを用いずに行われる、半導体装置の製造方法。

【請求項2】

前記第２膜の処理は、前記第２膜を前記第２ガスまたは前記液体の雰囲気下でアニールすること、および、所定の温度下で前記第２膜を前記第２ガスまたは前記液体に晒すこと、の少なくともいずれかにより行われる、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項3】

前記第１ガスは、Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚガスを含む（Ｃは炭素、Ｈは水素、Ｆはフッ素を表し、ｘは１以上の整数、ｙは０以上の整数、ｚは１以上の整数を表す）、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項4】

前記第２ガスまたは前記液体は、水素を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項5】

前記第２ガスまたは前記液体は、水素、ギ酸、ホルムアルデヒド、メチルアルコール、ヒ化水素、ホウ化水素、セレン化水素、リン化水素、ゲルマニウム化水素、および、シリル基を有する物質、の少なくともいずれかを含む、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項6】

前記第２ガスは、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、またはキセノンを含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項7】

前記第１ガスを用いて前記第１膜をエッチングする第１処理と、前記第２ガスまたは前記液体を用いて前記第２膜を処理する第２処理は、同じチャンバ内で行われる、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項8】

前記第１ガスを用いて前記第１膜をエッチングする第１処理と、前記第２ガスまたは前記液体を用いて前記第２膜を処理する第２処理は、交互に行われる、請求項１から７のいずれか１項に記載の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】

基板上の被加工膜内に凹部を形成する場合に、凹部の形状が弓形（bowing）になることを抑制するために、凹部の側面に側壁膜を形成する場合がある。しかしながら、側壁膜の形成方法によっては、凹部の側面を側壁膜により十分に保護することができない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－１１０２７５号公報

【文献】特許第３６５９９３３号公報

【文献】特開２００６－２３７３５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

基板上の膜内に凹部を好適に形成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】

【0005】

一の実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、基板上に第１膜を形成することを含む。前記方法はさらに、炭素元素およびフッ素元素を含む第１ガスを用いて前記第１膜をエッチングすることで、前記第１膜内に凹部を形成し、かつ、前記凹部内に第２膜を形成することを含む。前記方法はさらに、前記第２膜を第２ガスまたは液体に晒すことで処理することを含み、前記第２膜の処理は、プラズマを用いずに行われる。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】第１実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。

【図4】第２実施形態の半導体製造装置の構造の例を示す平面図である。

【図5】第２実施形態の半導体製造装置の構造と、第２実施形態の比較例の半導体製造装置の構造とを示す断面図である。

【図6】第２実施形態の変形例の半導体製造装置の構造を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１から図６において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0008】

（第１実施形態）
図１および図２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。本実施形態の半導体装置は、例えば３次元メモリである。

【0009】

まず、基板１上に下部層２を形成し、下部層２上に、複数の絶縁層３と複数の絶縁層４とを交互に含む積層膜を形成する（図１(ａ)）。絶縁層３は第１絶縁層の例であり、絶縁層４は第２絶縁層の例である。次に、この積層膜上に上部層５を形成し、上部層５上にハードマスク層６を形成する（図１(ａ)）。下部層２、絶縁層３、絶縁層４、上部層５、およびハードマスク層６が、本実施形態の基板１上の被加工膜である。この被加工膜は、第１膜の例である。

【0010】

基板１は例えば、シリコン（Ｓｉ）基板などの半導体基板である。図１(ａ)は、基板１の表面に平行で互いに垂直なＸ方向およびＹ方向と、基板１の表面に垂直なＺ方向とを示している。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。

【0011】

下部層２は例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などの絶縁膜や、絶縁膜間に形成された導電層を含んでいる。絶縁層３は例えば、シリコン窒化膜である。絶縁層４は例えば、シリコン酸化膜である。上部層５は例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁膜や、絶縁膜間に形成された導電層を含んでいる。ハードマスク層６は例えば、有機膜である。

【0012】

次に、基板１上の被加工膜をエッチングするエッチング処理を行う（図１(ａ)）。具体的には、リソグラフィおよびエッチングにより、メモリホールＭを形成するための開口部をハードマスク層６内に形成する。さらには、ハードマスク層６をマスクとして用いて、絶縁層３、絶縁層４、および上部層５をエッチングする。その結果、絶縁層３、絶縁層４、および上部層５内にメモリホールＭが途中まで形成される。メモリホールＭや上記開口部は、凹部の例である。上記エッチング処理は、第１処理の例である。

【0013】

上記エッチング処理は、例えば炭素元素とフッ素元素とを含むガスＧ１を用いて行われる。ガスＧ１は、例えばＣ_ｘＨ_ｙＦ_ｚガスを含んでいる。ただし、Ｃは炭素、Ｈは水素、Ｆはフッ素を表し、ｘは１以上の整数、ｙは０以上の整数、ｚは１以上の整数を表す（ｘ≧１、ｙ≧０、ｚ≧１）。ｙ＝０の場合、Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚはフルオロカーボンであり、ｙ≠０の場合、Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚはハイドロフルオロカーボンである。Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚガスは、例えばＣ_４Ｆ_６ガス、Ｃ_４Ｆ_８ガス、ＣＨ_２Ｆ_２ガスなどである。ガスＧ１は、第１膜を処理するための第１ガスの例である。

【0014】

上記エッチング処理では、Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚガスから生じたＣ_ｘＨ_ｙＦ_ｚプラズマによりエッチングが行われると共に、メモリホールＭや上記開口部内に露出した絶縁層３、絶縁層４、上部層５、およびハードマスク層６の表面などに側壁膜１１が形成される（図１(ａ)）。側壁膜１１は例えば、炭素元素とフッ素元素とを含むフルオロカーボン膜である。側壁膜１１は、第２膜の例である。

【0015】

次に、側壁膜１１を改質する改質処理を行う（図１(ｂ)）。本実施形態では、例えば側壁膜１１を還元することで、側壁膜１１を改質する。図１(ｂ)は、側壁膜１１の改質により得られた改質側壁膜１２を示している。上記改質処理は、第２処理の例である。

【0016】

上記改質処理は、例えば水素元素を含むガスＧ２を用いて行われる。ガスＧ２は、例えばＨＣＯＯＨ（ギ酸）ガスを含んでいる。ただし、Ｏは酸素を表す。ギ酸は、常温常圧では液体である。本実施形態では、ＨＣＯＯＨ液体からＨＣＯＯＨガスを生成し、このＨＣＯＯＨガスを用いて側壁膜１１を改質する。上記改質処理では、側壁膜１１をＨＣＯＯＨガスに晒すことにより、側壁膜１１を改質する。本実施形態では、上記エッチング処理がプラズマを用いて行われるのに対し、上記改質処理はプラズマを用いずに行われる。ガスＧ２は、第２膜を処理するための第２ガスの例である。

【0017】

以下、側壁膜１１の改質処理について詳細に説明する。

【0018】

上述のように、側壁膜１１は例えば、炭素元素とフッ素元素とを含むフルオロカーボン膜である。側壁膜１１はエッチング時に被加工膜の保護膜として機能するが、側壁膜１１に高エネルギーのイオンが入射した際に、側壁膜１１が逆にエッチングに寄与する場合がある。すなわち、側壁膜１１がメモリホールＭ内の被加工膜のエッチングを促進するおそれがある。これは、次の式（１）におけるＣＦ_ａの供給源として、側壁膜１１が寄与するためである。

【0019】

ＳｉＯ_２＋ＣＦ_ａ→ＳｉＦ_ｂ↑＋ＣＯ_ｃ↑ ・・・（１）
ただし、ａ、ｂ、ｃは組成比を表す。上述のように、絶縁層４は例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）である。また、下部層２や上部層５は、シリコン酸化膜を含んでいる場合がある。これらのシリコン酸化膜は、式（１）の反応によりエッチングされる可能性がある。

【0020】

式（１）によれば、側壁膜１１中のフッ素原子の量を減少させると、ＣＦ_ａの供給量を減少させることができ、メモリホールＭ内の被加工膜のエッチングを抑制することができる。そのため、上記改質処理では、側壁膜１１を改質しており、具体的には、側壁膜１１中のフッ素原子をガスＧ２中の水素原子と反応させて（還元反応）、フッ化水素として脱離させている。これにより、側壁膜１１よりもカーボンリッチな改質側壁膜１２を得ることができ、改質側壁膜１２中のフッ素濃度を側壁膜１１中のフッ素濃度より低減することができる。よって、高エネルギーのイオンが改質側壁膜１２に入射しても、式（１）の反応が起きにくくなり、メモリホールＭ内の被加工膜のエッチングが抑制される。

【0021】

よって、本実施形態によれば、側壁膜１１がエッチングに寄与することを抑制することができ、かつ、改質側壁膜１２を保護膜として機能させることができる。これにより、メモリホールＭの形状が弓形になることを抑制することが可能となる。

【0022】

続いて、側壁膜１１の改質処理におけるアニールについて詳細に説明する。

【0023】

上記改質処理は、上記エッチング処理と同様に、ガスＧ２から生じたプラズマを用いて行うことが考えられる。このプラズマにより、改質処理を促進することができる。しかしながら、このプラズマは、メモリホールＭ内の深い地点まで到達できない可能性がある。この場合、メモリホールＭ内の深い地点で側壁膜１１が十分に改質されず、メモリホールＭ内の被加工膜のエッチングが十分に抑制されない可能性がある。この問題は例えば、３次元メモリがさらに大容量化して、メモリホールＭのアスペクト比がさらに高くなると、より顕在化すると考えられる。

【0024】

そこで、本実施形態の上記改質処理では、側壁膜１１をガスＧ２に晒すことにより、側壁膜１１を改質する。これにより、プラズマを用いずに側壁膜１１を改質することが可能となる。この改質処理によれば、メモリホールＭ内の深い地点まで側壁膜１１を十分に改質することが可能となり、プラズマを用いる場合に比べてよりコンフォーマルな改質側壁膜１２を形成することが可能となる。なお、側壁膜１１をガスＧ２に晒すことには、例えば、ガスＧ２の雰囲気下で側壁膜１１をアニールすること、または、所定の温度下で側壁膜１１をガスＧ２に晒すことが含まれる。

【0025】

ガスＧ２に含まれるガスの例は、Ｈ_２（水素）ガスや、上述のＨＣＯＯＨ（ギ酸）ガスである。Ｈ_２ガスを用いて改質処理を行う場合には、フルオロカーボン膜（側壁膜１１）を十分に還元するために、Ｈ_２ガスの雰囲気下でアニールを行うことが望ましく、アニールは３００℃以上で行うことが望ましい。一方、一般にドライエッチングチャンバにおけるプロセス温度の上限は１００～１５０℃であり、この上限温度以下ではフルオロカーボン膜（側壁膜１１）をＨ_２ガスにより還元することは難しい。そのため、このチャンバ内で上記エッチング処理を行う場合、続けてこのチャンバ内でＨ_２ガスを用いた改質処理を行うことは難しい。よって、Ｈ_２ガスを用いて改質処理を行う場合には、この改質処理と上記エッチング処理は別個のチャンバ内で行うことが望ましい。

【0026】

一方、ＨＣＯＯＨガスは、Ｈ_２ガスに比べて還元能力が高く、かつ、沸点が１００℃と低い。そのため、ＨＣＯＯＨガスを用いて改質処理を行う場合には、ＨＣＯＯＨガスの雰囲気下で１００～１５０℃のアニールを行う。このアニールを１００～１５０℃で行うことで、フルオロカーボン膜（側壁膜１１）を十分に還元することができる。よって、ＨＣＯＯＨガスを用いて改質処理を行う場合には、この改質処理と上記エッチング処理とを同じチャンバ内で行うことが可能となる、すなわち、この改質処理と上記エッチング処理とをｉｎ－ｓｉｔｕで行うことが可能となる。

【0027】

所定の温度のエッチングチャンバ内に、ＨＣＯＯＨガスを供給することで改質処理を行ってもよい。例えば、エッチングチャンバの温度を、エッチングチャンバにおけるプロセス温度の上限以下の温度とした後、ＨＣＯＯＨガスを供給してもよい。例えば１５０℃のエッチングチャンバにＨＣＯＯＨガスを供給してもよい。また、通常、エッチング処理におけるエッチングチャンバの温度は室温～６０℃である。側壁膜の改質処理が十分に進む場合には、エッチング処理と同程度の温度のエッチングチャンバに、ＨＣＯＯＨガスを供給してもよい。なお、エッチングチャンバの温度は、例えばエッチングチャンバ内のステージ温度である。ＨＣＯＯＨガスを用いることにより、本実施形態の半導体装置の製造工程を簡略化することが可能となり、半導体装置の生産性を向上させることが可能となる。

【0028】

ギ酸（ＨＣＯＯＨ）は、常温常圧で液体の物質である。よって、本実施形態の改質処理では、ＨＣＯＯＨ液体からＨＣＯＯＨガスを生成し、このＨＣＯＯＨガスを用いて側壁膜１１を改質する。ＨＣＯＯＨガスは、沸点が１００℃と低いため、気化器により気化して上記チャンバ内に導入することができる。なお、ガスＧ２は、ＨＣＯＯＨガス以外のガスを含んでいてもよく、例えば、常温常圧で液体の物質から得られたその他のガスを含んでいてもよい。また、上記改質処理では、側壁膜１１をガスＧ２の代わりに液体の雰囲気下でアニールすることにより、側壁膜１１を改質してもよい。この液体の例は、ＨＣＯＯＨ液体である。また、上記改質処理では、所定の温度下で側壁膜１１をガスＧ２の代わりに液体に晒すことにより、側壁膜１１を改質してもよい。

【0029】

ガスＧ２に含まれるガスは、ＨＣＯＯＨガスのような有機系ガスでもよいし、無機系ガスでもよい。有機系ガスの例は、ＨＣＨＯ（ホルムアルデヒド）ガスやＣＨ_３ＯＨ（メチルアルコール）ガスである。無機系ガスの例は、シリル基を有する物質（Ｓｉ－Ｒ_３）のガスであり、例えば、ＳｉＨ_４ガス、Ｓｉ_２Ｈ_６ガス、ＳｉＨ_２［ＮＨ（Ｃ_４Ｈ_９）］_２ガスなどである。ただし、Ｓｉはシリコン、Ｎは窒素を表す。無機系ガスの別の例は、ＡｓＨ_３（ヒ化水素）ガス、Ｂ_２Ｈ_６（ホウ化水素）ガス、Ｈ_２Ｓｅ（セレン化水素）ガス、ＰＨ_３（リン化水素）ガス、ＧｅＨ_４（ゲルマニウム化水素）などである。また、ガスＧ２の代わりに有機系液体や無機系液体を上記改質処理に用いてもよい。なお、ＳｉＨ_４ガスを用いて改質処理を行う場合には、次の式（２）のように、Ｆ原子がＨ原子に置換される置換反応が起こると予想される。

【0030】

（－ＣＦ_２－）_ｎ＋ＳｉＨ_４→（－ＣＨ_２－）_ｎ＋ＳｉＦ_４↑ ・・・（２）
ただし、ｎは１以上の整数を表す。

【0031】

なお、ガスＧ２は、水素元素と共に、または水素元素に代わり、その他の元素を含んでいてもよい。この元素の例は、硫黄元素である。ガスＧ２は例えば、ＨＣＯＯＨガスと共に、またはＨＣＯＯＨガスに代わり、Ｈ_２Ｓ（硫化水素）ガス、ＳＦ_６（六フッ化硫黄）ガス、またはＣＯＳ（硫化カルボニル）ガスを含んでいてもよい。例えばガスＧ２がＨ_２Ｓガスを含む場合には、側壁膜１１をＨ_２Ｓガスの雰囲気下でアニールすることにより、側壁膜１１が改質される。硫黄元素を含むガスＧ２の代わりに、硫黄元素を含む液体を、上記改質処理に用いてもよい。

【0032】

また、ガスＧ２は、水素元素および／または硫黄元素を含むガスと共に、Ｈｅ（ヘリウム）ガス、Ａｒ（アルゴン）ガス、Ｋｒ（クリプトン）ガス、またはＸｅ（キセノン）ガスを含んでいてもよい。

【0033】

その後、本実施形態では、上記エッチング処理と上記改質処理とを交互に繰り返し行うことで、メモリホールＭを完成させる。別言すると、本実施形態のメモリホールＭは、ガスＧ１とガスＧ２とを交互に繰り返し供給することで形成される。上記改質処理では、ガスＧ２の供給と共に上述のアニールが行われる。以下、これらの処理の詳細について説明する。

【0034】

図１(ｂ)の工程の後に、ガスＧ１を用いて、絶縁層３および絶縁層４をエッチングするエッチング処理を再び行う（図１(ｃ)）。その結果、メモリホールＭを形成する処理が進行し、メモリホールＭの底面が低下する。このエッチング処理では、Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚプラズマによりエッチングが行われると共に、メモリホールＭ内に露出した絶縁層３および絶縁層４の表面に側壁膜１３が形成される。側壁膜１３は、側壁膜１１と同様の性質を有し、改質側壁膜１２の下方に形成される。側壁膜１３も、第２膜の例である。

【0035】

次に、ガスＧ２を用いて、側壁膜１３を改質する改質処理を再び行う（図２(ａ)）。図２(ａ)は、側壁膜１３の改質により得られた改質側壁膜１４を示している。この改質処理では、側壁膜１３をＨＣＯＯＨガスの雰囲気下でアニールすることにより、側壁膜１３を改質する。改質側壁膜１４は、改質側壁膜１２と同様の性質を有する。

【0036】

次に、ガスＧ１を用いて、絶縁層３および絶縁層４をエッチングするエッチング処理を再び行う（図２(ｂ)）。その結果、メモリホールＭを形成する処理が進行し、メモリホールＭの底面がさらに低下する。図２(ｂ)では、メモリホールＭが下部層２を貫通して基板１に到達しており、メモリホールＭが完成している。このエッチング処理では、Ｃ_ｘＨ_ｙＦ_ｚプラズマによりエッチングが行われると共に、メモリホールＭ内に露出した下部層２、絶縁層３、および絶縁層４の表面に側壁膜１５が形成される。側壁膜１５は、側壁膜１１、１３と同様の性質を有し、改質側壁膜１４の下方に形成される。なお、図２(ｂ)の工程でメモリホールＭが完成しない場合には、その後にメモリホールＭが完成するまで上記改質処理と上記エッチング処理とが交互に繰り返し行われる。

【0037】

次に、改質側壁膜１２、１４、側壁膜１５、およびハードマスク層６を除去した後、メモリホールＭ内にメモリ絶縁膜７とチャネル半導体層８とを順に形成する（図２(ｃ)）。メモリ絶縁膜７は、後述するように、メモリホールＭ内にブロック絶縁膜、電荷蓄積層、およびトンネル絶縁膜を順に形成することで形成される。なお、図２(ｃ)の工程では、メモリホールＭ内にメモリ絶縁膜７、チャネル半導体層８、およびコア絶縁膜を順に形成してもよい。

【0038】

その後、基板１上に種々の層間絶縁膜、プラグ層、配線層などが形成される。このようにして、本実施形態の半導体装置が製造される。

【0039】

なお、図１(ａ)から図２(ｃ)に示す方法は、下部層２、絶縁層３、絶縁層４、上部層５、およびハードマスク層６以外の被加工膜や、メモリホールＭ以外の凹部にも適用可能である。この方法は例えば、層間絶縁膜内にコンタクトホールやトレンチを形成する場合や、複数の電極層（例えばポリシリコン層）と複数の絶縁層（例えばシリコン酸化膜）とを交互に含む積層膜内にメモリホールを形成する場合にも適用可能である。

【0040】

本実施形態の上記複数の絶縁層３は、図１(ａ)から図２(ｃ)に示す工程以降に行うリプレイス工程により、複数の電極層に置き換えられる。リプレイス工程では、これらの絶縁層３を除去することで絶縁層４間に複数の空洞を形成し、これらの空洞内に上記複数の電極層を埋め込む。このような電極層の例については、図３にて説明する。

【0041】

図３は、第１実施形態の半導体装置の構造を示す断面図である。図３は、本実施形態の方法で製造される半導体装置の一例を示している。

【0042】

図３は、３次元メモリのメモリセル部と階段コンタクト部とを示している。図３では、下部層２が、絶縁膜２ａと、ソース側導電層２ｂと、絶縁膜２ｃとを含み、上部層５が、カバー絶縁膜５ａと、ドレイン側導電層５ｂと、層間絶縁膜５ｃと、層間絶縁膜５ｄとを含んでいる。また、上記複数の絶縁層３は、タングステン（Ｗ）層などを含む複数の電極層３’に置き換えられている。

【0043】

図３はさらに、メモリ絶縁膜７に含まれるブロック絶縁膜７ａ、電荷蓄積層７ｂ、およびトンネル絶縁膜７ｃを示している。メモリ絶縁膜７とチャネル半導体層８は例えば、メモリホールＭの表面にブロック絶縁膜７ａ、電荷蓄積層７ｂ、およびトンネル絶縁膜７ｃを順に形成し、メモリホールＭの底部からブロック絶縁膜７ａ、電荷蓄積層７ｂ、およびトンネル絶縁膜７ｃを除去し、その後にメモリホールＭ内にチャネル半導体層８を埋め込むことで形成される。この際、メモリホールＭ内にチャネル半導体層８とコア絶縁膜とを順に埋め込んでもよい。チャネル半導体層８は、基板１内の拡散層Ｌに電気的に接続されている。

【0044】

図３はさらに、上部層５内に形成された複数のコンタクトホールＨと、これらのコンタクトホールＨ内に形成された複数のコンタクトプラグ９とを示している。各コンタクトプラグ９は、対応する電極層３’に電気的に接続されるように形成されている。

【0045】

以上のように、本実施形態のメモリホールＭは、ガスＧ１を用いたエッチング処理と、ガスＧ２を用いた改質処理とを行うことで形成される。エッチング処理では、メモリホールＭのエッチングが進行し、かつ、メモリホールＭ内に側壁膜（側壁膜１１など）が形成される。改質処理では、側壁膜をガスＧ２に晒すことにより、側壁膜が改質される。

【0046】

よって、本実施形態によれば、メモリホールＭの形状が弓形になることを側壁膜により抑制することが可能となり、高アスペクト比のメモリホールＭを適切に実現することが可能となる。さらに、本実施形態によれば、熱によりメモリホールＭ内の深い地点まで側壁膜を十分に改質することが可能となり、メモリホールＭを改質側壁膜（改質側壁膜１２など）により好適に保護することが可能となる。このように、本実施形態によれば、側壁膜をプラズマを用いずに改質することで、基板１上の被加工膜内にメモリホールＭを好適に形成することが可能となる。

【0047】

また、本実施形態の側壁膜は、ガスＧ２として、例えばＨＣＯＯＨガスを用いて改質される。これにより、還元能力の高いガスＧ２により側壁膜を還元（改質）することが可能となる。その結果、アニールの温度を低くすることや、上記エッチング処理と上記改質処理を同じチャンバ内で行うことが可能となる。このように、本実施形態によれば、側壁膜をＨＣＯＯＨガスを用いて改質することで、基板１上の被加工膜内にメモリホールＭを好適に形成することが可能となる。この場合、本実施形態では側壁膜をＨＣＯＯＨガスおよび上記熱により改質するが、上記熱が不要であれば、側壁膜をＨＣＯＯＨガスを用いてアニールなしで改質してもよい。また、側壁膜は、ＨＣＯＯＨガス以外のガスを用いて改質してもよい。

【0048】

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の半導体製造装置の構造の例を示す平面図である。

【0049】

図４(ａ)は、本実施形態の半導体製造装置の構造の第１の例を示している。第１の例の半導体製造装置は、複数のＦＯＵＰ（Front-Opening Unified Pod）台２１と、ロードロック室２２と、移載室２３と、複数の処理室２４と、制御部２５とを備えている。

【0050】

各ＦＯＵＰ台２１は、基板１を収容するためのＦＯＵＰ（不図示）を載置するために使用される。基板１を半導体製造装置内に搬入する際には、いずれかのＦＯＵＰ台２１上にＦＯＵＰが載置され、ＦＯＵＰ内の基板１がロードロック室２２内に搬入される。一方、基板１を半導体製造装置から搬出する際には、ロードロック室２２内の基板１が、いずれかのＦＯＵＰ台２１上のＦＯＵＰ内に搬出される。第１の例の半導体製造装置内に搬入された基板１は、ロードロック室２２と移載室２３とを経由して、いずれかの処理室２４内に搬入される。

【0051】

各処理室２４は、上記エッチング処理を行う機能と、上記改質処理（還元処理）を行う機能とを有している。第１の例では、いずれかの処理室２４内に基板１を搬入し、この処理室２４内で基板１に対し上記エッチング処理と上記改質処理とを交互に繰り返し行う。エッチング処理では、ガスＧ１を用いて基板１上の被加工膜を処理することで、被加工膜内のメモリホールＭのエッチングを進行させ、かつ、メモリホールＭ内に側壁膜（側壁膜１１など）を形成する。改質処理では、ガスＧ２を用いて側壁膜を処理することで、側壁膜を改質側壁膜（改質側壁膜１２など）へと改質する。この改質処理では、側壁膜をガスＳ２の雰囲気下でアニールすることで側壁膜を改質する代わりに、側壁膜を所定の温度の処理室２４内でガスＳ２に晒すことで側壁膜を改質してもよい。

【0052】

第１の例の半導体製造装置は例えば、ガスＧ２としてＨＣＯＯＨガスを用いる場合に使用される。各処理室２４はドライエッチングに使用可能であり、各処理室２４のチャンバにおけるプロセス温度の上限は一般に１００～１５０℃である。この場合、各処理室２４内では１５０℃よりも高温でアニールを行うことができない。しかしながら、ガスＧ２としてＨＣＯＯＨガスを用いる場合には、１００～１５０℃のアニールにより側壁膜を十分に改質することができる。第１の例によれば、上記エッチング処理と上記改質処理とを同じ処理室２４内でｉｎ－ｓｉｔｕで行うことが可能となる。

【0053】

制御部２５は、半導体製造装置の種々の動作を制御する。制御部２５は例えば、基板１の搬送や、各処理室２４内でのエッチング処理および改質処理を制御する。制御部２５の例は、プロセッサ、電気回路、コンピュータなどである。

【0054】

図４(ｂ)は、本実施形態の半導体製造装置の構造の第２の例を示している。第２の例の半導体製造装置は、上記複数の処理室２４の代わりに、エッチング室２６と、還元室２７とを備えている。

【0055】

エッチング室２６は、上記エッチング処理を行う機能を有している。還元室２７は、上記改質処理（還元処理）を行う機能を有している。第２の例では、基板１をエッチング室２６内と還元室２７内とに交互に繰り返し搬入し、エッチング室２６内で基板１に対し上記エッチング処理を行い、還元室２７内で基板１に対し上記改質処理を行う。エッチング処理では、ガスＧ１を用いて基板１上の被加工膜を処理することで、被加工膜内のメモリホールＭのエッチングを進行させ、かつ、メモリホールＭ内に側壁膜（側壁膜１１など）を形成する。改質処理では、ガスＧ２を用いて側壁膜を処理することで、側壁膜を改質側壁膜（改質側壁膜１２など）へと改質する。この改質処理では、側壁膜をガスＳ２の雰囲気下でアニールすることで側壁膜を改質する代わりに、側壁膜を所定の温度の還元室２７内でガスＳ２に晒すことで側壁膜を改質してもよい。

【0056】

第２の例の半導体製造装置は例えば、ガスＧ２としてＨ_２ガスを用いる場合に使用される。エッチング室２６はドライエッチングに使用可能であり、エッチング室２６のチャンバにおけるプロセス温度の上限は一般に１００～１５０℃である。この場合、エッチング室２６内では１５０℃よりも高温でアニールを行うことができない。一方、ガスＧ２としてＨ_２ガスを用いる場合には、３００℃以上のアニールにより側壁膜を改質することが望ましい。そのため、第２の例における改質処理は、エッチング室２６とは別に設けられた還元室２７内で行われる。なお、還元室２７は、ガスＧ２の代わりに、ＨＣＯＯＨ液体などの液体を用いて改質処理を行ってもよい。この場合の還元室２７は、ウェット処理室などの薬液処理室としてもよい。

【0057】

制御部２５は、第１の例の場合と同様に、半導体製造装置の種々の動作を制御する。制御部２５は例えば、基板１の搬送や、エッチング室２６内でのエッチング処理や、還元室２７内での改質処理を制御する。

【0058】

図５は、第２実施形態の半導体製造装置の構造と、第２実施形態の比較例の半導体製造装置の構造とを示す断面図である。

【0059】

図５(ａ)は、本実施形態の半導体製造装置の構造を示しており、具体的には、図４(ａ)の処理室２４の構造を示している。図５(ａ)において、処理室２４は、ドライエッチングチャンバ３１と、ステージ３２と、ガス供給部３３と、ＭＦＣ（Mass Flow Controller）３４と、シャワーヘッド３５と、アニール部３６と、配管４１、４２と、ヒータ４３、４４、４５とを備えている。ドライエッチングチャンバ３１は、収容部の例であり、ガス供給部３３は、供給部の例であり、ＭＦＣ３４は、流量を制御する機器の例である。配管４１は第２流路の例であり、配管４２は第１流路の例である。ヒータ４３は第２加熱部の例であり、ヒータ４４は第１加熱部の例であり、ヒータ４５は第３加熱部の例である。

【0060】

ドライエッチングチャンバ３１は、ドライエッチングの対象となる基板１を収容することが可能である。本実施形態では、基板１に対する上記エッチング処理と上記改質処理がドライエッチングチャンバ３１内で行われる。

【0061】

ステージ３２は、ドライエッチングチャンバ３１内で基板１を支持するために使用される。

【0062】

ガス供給部３３は、基板１上の膜を処理可能なガスを、ドライエッチングチャンバ３１に供給する。ガス供給部３３は例えば、被加工膜をエッチングし、かつ側壁膜（側壁膜１１など）を形成するためのガスＧ１や、側壁膜を改質側壁膜（改質側壁膜１２など）へと改質するためのガスＧ２を供給する。ガスＧ１、Ｇ２は、配管４１、ＭＦＣ３４、および配管４２を順に経由してドライエッチングチャンバ３１に供給され、ドライエッチングチャンバ３１内でシャワーヘッド３５に供給される。

【0063】

ＭＦＣ３４は、ガスの質量流量を計測する機能と、ガスの質量流量を制御する機能とを有している。本実施形態のＭＦＣ３４は、配管４１と配管４２との間に配置されており、ガス供給部３３からドライエッチングチャンバ３１に供給されるガスの流量を計測することや制御することができる。例えば、上述の制御部２５（図４(ａ)）は、ＭＦＣ３４により計測された上記ガスの流量を受信することや、上記ガスの流量をＭＦＣ３４を介して制御することができる。

【0064】

シャワーヘッド３５は、ガス供給部３３から供給されたガスを、ドライエッチングチャンバ３１内に噴射する。本実施形態のシャワーヘッド３５は、ドライエッチングチャンバ３１の天井付近に配置されており、上記ガスをドライエッチングチャンバ３１内で下向きに噴射する。これにより、ステージ３２上に載置された基板１上の膜を、このガスを用いて処理することができる。

【0065】

アニール部３６は、ステージ３２上の基板１に対するアニールを行う。これにより、上記改質処理の間に基板１上の側壁膜をアニールすることができる。

【0066】

ヒータ４３は、配管４１のまわりに設けられており、配管４１を通過するガスを加熱する。よって、ヒータ４３は、ガス供給部３３からＭＦＣ３４へと向かうガスを加熱することができる。本実施形態のヒータ４３は例えば、配管４１を包囲する筒状の形状を有している。

【0067】

ヒータ４４は、配管４２のまわりに設けられており、配管４２を通過するガスを加熱する。よって、ヒータ４４は、ＭＦＣ３４からドライエッチングチャンバ３１へと向かうガスを加熱することができる。本実施形態のヒータ４４は例えば、配管４２を包囲する筒状の形状を有している。

【0068】

ヒータ４５は、シャワーヘッド３５や、ドライエッチングチャンバ３１内の天井とシャワーヘッド３５との間の空間を加熱するために使用される。よって、ヒータ４５は、シャワーヘッド３５内のガスや、ドライエッチングチャンバ３１内でシャワーヘッド３５に向かうガスを加熱することができる。

【0069】

図５(ａ)の処理室２４内では例えば、ガスＧ１としてＣ_ｘＨ_ｙＦ_ｚガスが用いられ、ガスＧ２としてＨＣＯＯＨガスが用いられる。加えて、上記改質処理では、基板１上の側壁膜を１００～１５０℃のアニール温度でアニールする。この場合、ＨＣＯＯＨガスの温度がアニール温度よりも低いと、アニール中に側壁膜の温度が低下し、側壁膜の改質が不十分になるおそれがある。

【0070】

本実施形態では、このような現象が起こることを抑制するため、上記改質処理用にガス供給部３３からガスＧ２を供給する際に、ヒータ４３、４４、４５によりガスＧ２を加熱する。これにより、ガスＧ２がガス供給部３３から側壁膜に到達する間に、ガスＧ２の温度が大きく低下することを抑制することが可能となる。

【0071】

このようなガスＧ２の温度低下を効果的に抑制するためには、ガスＧ２をなるべく側壁膜の近くで加熱することが望ましい。よって、ヒータ４４やヒータ４５によりガスＧ２を加熱する場合には、ヒータ４３によりガスＧ２を加熱する場合に比べて、ガスＧ２の温度低下を効果的に抑制することが可能となる。

【0072】

なお、ヒータ４３は例えば、ＨＣＯＯＨガスが冷却されて、ＨＣＯＯＨ液体に戻るのを抑制するために使用することが可能である。また、ヒータ４４、４５は例えば、ＨＣＯＯＨガスがＨＣＯＯＨ液体に戻るのを抑制するためと、側壁膜に高温のＨＣＯＯＨガスを供給するためとに使用することが可能である。

【0073】

本実施形態のヒータ４４は、ＭＦＣ３４の出口からドライエッチングチャンバ３１の入口まで延伸している。すなわち、ヒータ４４の一端が、ＭＦＣ３４の出口まで延伸しており、ヒータ４４の他端が、ドライエッチングチャンバ３１の入口まで延伸している。これにより、ヒータ４４の一端とＭＦＣ３４の出口との間でガスＧ２が冷却されることや、ヒータ４４の他端とドライエッチングチャンバ３１の入口との間でガスＧ２が冷却されることを抑制することが可能となる。同様に、本実施形態のヒータ４３も、ＭＦＣ３４の入口まで延伸している。

【0074】

図５(ａ)の処理室２４の動作は、上述の制御部２５（図４(ａ)）により制御される。制御部２５は例えば、アニール部３６のオン・オフ、アニール時間、アニール温度や、ヒータ４３、４４、４５のオン・オフ、加熱時間、加熱温度や、チャンバ３１、ステージ３２、ガス供給部３３、ＭＦＣ３４、シャワーヘッド３５の動作などを制御する。

【0075】

図５(ｂ)は、本実施形態の比較例の半導体製造装置の構造を示しており、具体的には、図５(ａ)と同様に処理室２４の構造を示している。ただし、本比較例の処理室２４は、ヒータ４４、４５を備えていない。そのため、本比較例では、ガスＧ２がガス供給部３３から側壁膜に到達する間に、ガスＧ２の温度が大きく低下するおそれがある。なお、本比較例のヒータ４３は、ＭＦＣ３４の入口まで延伸していないことに留意されたい。このことも、ガスＧ２の温度低下を抑制するための障害となるおそれがある。

【0076】

図６は、第２実施形態の変形例の半導体製造装置の構造を示す断面図である。

【0077】

図６は、本変形例の処理室２４の構造を示している。本変形例の処理室２４の構造は、以下の点を除き、図５(ａ)に示す処理室２４の構造と同様である。すなわち、本変形例では、ガス供給部３３、ＭＦＣ３４、配管４１、配管４２、およびヒータ４３が、２組のガス供給部３３ａ、３３ｂ、ＭＦＣ３４ａ、３４ｂ、配管４１ａ、４１ｂ、配管４２ａ、４２ｂ、およびヒータ４３ａ、４３ｂに置き換えられている。
ガス供給部３３ａ、ＭＦＣ３４ａ、配管４１ａ、配管４２ａ、およびヒータ４３ａの構造や機能や、ガス供給部３３、ＭＦＣ３４、配管４１、配管４２、およびヒータ４３と同様である。さらに、ガス供給部３３ｂ、ＭＦＣ３４ｂ、配管４１ｂ、配管４２ｂ、およびヒータ４３ｂの構造や機能や、ガス供給部３３、ＭＦＣ３４、配管４１、配管４２、およびヒータ４３と同様である。ただし、本変形例では、ガス供給部３３ａがガスＧ１を供給し、ガス供給部３３ｂがガスＧ２を供給する。

【0078】

本変形例の処理室２４は、配管４２ａ、４２ｂのうち、配管４２ｂのまわりのみにヒータ４４を備えている。これにより、ヒータ４３ｂ、４４等によりガスＧ２を加熱することで、ガスＧ２がガス供給部３３ｂから側壁膜に到達する間に、ガスＧ２の温度が大きく低下することを抑制することが可能となる。さらには、ＭＦＣ３４ｂの上流と下流とでガスＧ２の温度が大きく変化することを抑制することが可能となり、ガスＧ２の流量を好適に制御することが可能となる。

【0079】

以上のように、本実施形態の半導体製造装置は、上記エッチング処理と上記改質処理の両方を実施できる処理室２４や、ガスＧ２の温度低下を抑制するためのヒータ４３（４３ｂ）、４４、４５を備えている。よって、本実施形態によれば、第１実施形態の半導体装置の製造方法を、この半導体製造装置により好適な態様で実施することが可能となる。

【0080】

なお、図５(ａ)の処理室２４内では、側壁膜をガスＳ２の雰囲気下でアニールすることで側壁膜を改質する代わりに、側壁膜を所定の温度の処理室２４内でガスＳ２に晒すことで側壁膜を改質してもよい。この場合、処理室２４の温度は、ヒータ４５により所定の温度に調整してもよいし、アニール部３６により所定の温度に調整してもよいし、その他の手段により所定の温度に調整してもよい。また、側壁膜をガスＳ２に晒すことで、側壁膜を改質する場合には、図５(ａ)の処理室２４にアニール部３６を設けなくてもよい。これは、図６の処理室２４についても同様である。

【0081】

また、図５(ａ)の処理室２４の構造は、上述の還元室２７（図４(ｂ)）に適用することも可能である。この場合、ガス供給部３３は、ガスＧ１、Ｇ２のうちのガスＧ２のみを供給するために使用される。これは、図６の処理室２４についても同様である。

【0082】

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。

【符号の説明】

【0083】

１：基板、２：下部層、２ａ：絶縁膜、２ｂ：ソース側導電層、２ｃ：絶縁膜、
３：絶縁層、３’：電極層、４：絶縁層、５：上部層、５ａ：カバー絶縁膜、
５ｂ：ドレイン側導電層、５ｃ：層間絶縁膜、５ｄ：層間絶縁膜、
６：ハードマスク層、７：メモリ絶縁膜、７ａ：ブロック絶縁膜、７ｂ：電荷蓄積層、
７ｃ：トンネル絶縁膜、８：チャネル半導体層、９：コンタクトプラグ、
１１：側壁膜、１２：改質側壁膜、１３：側壁膜、１４：改質側壁膜、１５：側壁膜、
２１：ＦＯＵＰ台、２２：ロードロック室、２３：移載室、
２４：処理室、２５：制御部、２６：エッチング室、２７：還元室、
３１：ドライエッチングチャンバ、３２：ステージ、
３３、３３ａ、３３ｂ：ガス供給部、３４、３４ａ、３４ｂ：ＭＦＣ、
３５：シャワーヘッド、３６：アニール部、
４１、４１ａ、４１ｂ：配管、４２、４２ａ、４２ｂ：配管、
４３、４３ａ、４３ｂ：ヒータ、４４：ヒータ、４５：ヒータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】