(57)【要約】      （修正有）【課題】膜のカバレッジを改善することが可能な基板処理装置を提供する。【解決手段】基板処理装置１は、チャンバー１０と、ステージ２０と、ガス放出部３０と、プラズマ生成部４０と、回転機構と、を備える。ステージは、チャンバー内で半導体基板を支持する。ガス放出部は、ステージに対向する位置から半導体基板に向けて成膜ガスを放出する。プラズマ生成部は、ガス放出部上に設けられ、成膜ガスの放出中にチャンバー内にプラズマを生成する。回転機構は、プラズマの生成中にステージを回転させる。【選択図】図１
2020035874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバーと、
前記チャンバー内で半導体基板を支持するステージと、
前記ステージに対向する位置から前記半導体基板に向けて成膜ガスを放出するガス放出部と、
前記ガス放出部上に設けられ、前記成膜ガスの放出中に前記チャンバー内にプラズマを生成するプラズマ生成部と、
前記プラズマの生成中に前記ステージを回転させる回転機構と、を備える、基板処理装置。
【請求項２】
前記ステージおよび前記ガス放出部は、前記チャンバーの中央部に配置され、
前記チャンバー内に不活性ガスを導入する導入口が、前記中央部の外側に設けられ、
前記チャンバーから前記成膜ガスおよび前記不活性ガスを排気する排気口が、前記ガス放出部と前記導入口との間に設けられている、請求項１に記載の基板処理装置。
【請求項３】
前記ガス放出部は、前記成膜ガスが供給される供給口と、前記供給口を通じて供給された前記成膜ガスを放出する放出口と、を有し、前記放出口の口径が前記供給口の口径よりも小さい、請求項１または２に記載の基板処理装置。
【請求項４】
前記供給口と前記放出口とが、複数設けられ、
前記成膜ガスを各供給口に個別に供給する供給路にそれぞれ設けられた複数の弁をさらに備える、請求項３に記載の基板処理装置。
【請求項５】
前記チャンバーを取り囲むヒーターをさらに備える、請求項１乃至４のいずれか１項記載の基板処理装置。
【請求項６】
前記成膜ガスが、酸化ガスまたは窒化ガスである、請求項１乃至５のいずれか１項記載の基板処理装置。
【請求項７】
チャンバー内に設けられたステージに半導体基板を載置し、
前記ステージに対向する位置から前記半導体基板に向けて成膜ガスを放出し、
前記成膜ガスの放出中に前記チャンバー内にプラズマを生成し、
前記プラズマの生成中に前記ステージを回転させる、
半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記成膜ガスとして酸化ガスまたは窒化ガスを用いることによって、前記半導体基板に酸化膜または窒化膜を形成する、請求項７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、基板処理装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程には、半導体基板に膜を形成する成膜工程がある。成膜工程に関し、ラジカルを生成する成膜方法が知られている。ラジカルは、例えばチャンバー内に導入されたガスをプラズマで励起することによって、生成できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１７０９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ラジカルを生成する成膜方法では、プラズマがチャンバー内で不均一に生成されると、ラジカルの密度分布が不均一になる。これにより、膜のカバレッジが悪化するおそれがある。
【０００５】
本発明の実施形態は、膜のカバレッジを改善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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態に係る基板処理装置は、チャンバーと、ステージと、ガス放出部と、プラズマ生成部と、回転機構と、を備える。ステージは、チャンバー内で半導体基板を支持する。ガス放出部は、ステージに対向する位置から半導体基板に向けて成膜ガスを放出する。プラズマ生成部は、ガス放出部上に設けられ、成膜ガスの放出中にチャンバー内にプラズマを生成する。回転機構は、プラズマの生成中にステージを回転させる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態に係る基板処理装置の概略的な構成を示す平面図である。
【図２】図１に示す切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図３】ガス放出部の概略的な構造を示す透視図である。
【図４】一実施形態に係る基板処理装置による成膜処理のフロー図である。
【図５】半導体装置の成膜前の状態を示す断面図である。
【図６】半導体装置の成膜後の状態を示す断面図である。
【図７】比較例に係る基板処理装置の概略的な構成を示す断面図である。
【図８】半導体基板に部分的に成膜する様子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、一実施形態に係る基板処理装置の概略的な構成を示す平面図である。また、図２は、図１に示す切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。図１および図２に示すように、本実施形態に係る基板処理装置１は、チャンバー１０と、ステージ２０と、ガス放出部３０と、プラズマ生成部４０と、回転機構５０と、複数の弁６０と、ヒーター７０と、を備える。
【００１０】
チャンバー１０は、例えば石英管である。本実施形態では、チャンバー１０の中央部には、ステージ２０およびガス放出部３０が設置されている。この中央部の外側におけるチャンバー１０の上端部には、導入口１１が設けられている。導入口１１は、不活性ガス２００をチャンバー１０内に導入する。不活性ガス２００には、例えば窒素（Ｎ２）ガスまたはアルゴン（Ａｒ）ガスを用いることができる。
【００１１】
また、チャンバー１０には、排気口１２が設けられている。排気口１２は、導入口１１とガス放出部３０との間に形成されている。本実施形態では、排気口１２は、導入口１１よりもガス放出部３０の近くに形成されている。排気口１２は、不活性ガス２００と、ガス放出部３０から放出された成膜ガス２０１とを排気する。
【００１２】
ステージ２０は、チャンバー１０内でウェハ状（円形状）の半導体基板１００を支持する。半導体基板１００は、例えばシリコン基板である。
【００１３】
ガス放出部３０は、ステージ２０に対向する位置から半導体基板１００に向けて成膜ガス２０１を放出する。成膜ガス２０１の種類は、半導体基板１００に形成する膜の種類に依存する。例えば、酸化膜を形成する場合、成膜ガス２０１には、水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）とを混合した酸化ガスを用いることができる。また、窒化膜を形成する場合、成膜ガス２０１には、アンモニア（ＮＨ３）を含んだ窒化ガスを用いることができる。
【００１４】
図３は、ガス放出部３０の概略的な構造を示す透視図である。図３に示すように、ガス放出部３０の上面には、複数の供給口３１が、一方向に等間隔に配置されている。
【００１５】
また、ガス放出部３０の底面にはスリット３２が形成されている。スリット３２には、複数の放出口３３が、複数の供給口３１にそれぞれ対向するように配列されている。放出口３３は、供給口３１に供給された成膜ガス２０１を半導体基板１００に向けて放出する。本実施形態では、放出口３３の口径Ｄ１は、供給口３１の口径Ｄ２よりも小さい。これにより、放出口３３から放出される成膜ガス２０１の指向性と流速を高めることができる。
【００１６】
本実施形態では、供給口３１および放出口３３は、半導体基板１００の中心線に沿ってそれぞれ配列されている。また、供給口列および放出口列の各々の長さは、半導体基板１００の直径とほぼ同じである。
【００１７】
図２に示すように、プラズマ生成部４０は、ガス放出部３０上に設けられている。プラズマ生成部４０では、コイル（不図示）が高周波電源（不図示）に接続されている。高周波電力が、高周波電源からコイルに印加されると、チャンバー１０内にプラズマが生成する。
【００１８】
回転機構５０は、ステージ２０に連結されている。回転機構５０には、ステージ２０を回転させるモータ、およびこのモータの駆動回路等が含まれる。
【００１９】
複数の弁６０は、複数の供給路６１に個別に設けられている。複数の供給路６１は、複数の供給口３１に個別に連通している。複数の弁６０の開閉動作を制御することによって、各供給口３１に成膜ガス２０１を個別に供給することができる。
【００２０】
ヒーター７０は、チャンバー１０の内部空間を取り囲む。本実施形態では、チャンバー１０は、内槽および外槽からなる二槽式の石英管である。この内槽は、ステージ２０およびガス放出部３０を収容する。ヒーター７０は、内槽と外槽との間に設けられている。ヒーター７０の温度を調整することによって、チャンバー１０内の温度、すなわち、半導体基板１００に膜を形成するときの温度条件を制御することができる。
【００２１】
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方法について図４〜図６を参照して説明する。ここでは、半導体装置の一例として、電極層が積層された３次元半導体記憶装置の成膜工程について説明する。
【００２２】
図４は、本実施形態に係る基板処理装置１による成膜処理のフロー図である。図５は、半導体装置の成膜前の状態を示す断面図である。図６は、半導体装置の成膜後の状態を示す断面図である。
【００２３】
まず、半導体基板１００をステージ２０に載置する（ステップＳ１）。このとき、図６に示すように、半導体基板１００上には、積層体１１０が形成されている。積層体１１０は、交互に積層された膜１１１および膜１１２を有する。膜１１１は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）である。一方、膜１１２は、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ）である。膜１１２は、例えばタングステンを含む電極層に置換することができる。また、積層体１１０には、ホール１１３が形成されている。
【００２４】
次に、ヒーター７０が、チャンバー１０内を成膜温度まで加温する（ステップＳ２）。成膜温度は、例えば２００℃よりも高い温度に設定することができ、本実施形態では、成膜温度は９００℃に設定されている。
【００２５】
チャンバー１０内の温度が成膜温度に達すると、不活性ガス２００が導入口１１からチャンバー１０内へ導入される（ステップＳ３）。導入された不活性ガス２００は、排気口１２から排出される。これにより、パーティクルがチャンバー１０から除去される。ステップＳ３以降も、不活性ガス２００は継続してチャンバー１０内へ導入される。
【００２６】
次に、回転機構５０が、ステージ２０を回転させる（ステップＳ４）。このとき、ステージ２０に載置された半導体基板１００も回転する。ステージ２０の回転中に、ガス放出部３０が成膜ガス２０１をチャンバー１０内に放出する（ステップＳ５）。ステップＳ５では、水素と酸素とを混合した酸化ガスが成膜ガス２０１としてガス放出部３０から放出される。ステップＳ４以降も、ガス放出部３０は継続して成膜ガス２０１をチャンバー１０内へ放出する。
【００２７】
次に、プラズマ生成部４０が、チャンバー１０内にプラズマを生成する（ステップＳ６）。このプラズマによって成膜ガス２０１が励起され、ＯＨラジカル、Ｏラジカルが生成される。その結果、図６に示すように、膜１２０が、ホール１１３の内面を含む積層体１１０の表面に形成される。本実施形態では、膜１２０は、電子を保持するメモリ膜の一部として機能する酸化膜である。ただし、膜１２０は、酸化膜に限定されず、窒化膜であってもよい。
【００２８】
プラズマ生成部４０によるプラズマの生成中も、回転機構５０は、ステージ２０を回転し続ける。
【００２９】
図７は、比較例に係る基板処理装置の概略的な構成を示す断面図である。図７に示す基板処理装置２では、半導体基板１００はステージ２１に支持されている。ステージ２１は、半導体基板１００を加熱するヒーター機能を有し、チャンバー１０内で固定されている。
【００３０】
基板処理装置２では、成膜ガス２０１が導入口１１からチャンバー１０内に導入される。また、コイル４１によって、チャンバー１０内にプラズマが生成される。成膜ガス２０１は、プラズマによって励起され、これによりラジカルが発生する。発生したラジカルは、チャンバー１０の側面底部に設けられた排気口１２から排気される。
【００３１】
基板処理装置２では、コイル４１がチャンバー１０の外周面に設けられている。そのため、コイル４１から離れるにつれて、プラズマの生成量が少なくなるので、ラジカルの生成量が不均一になる。その結果、半導体基板１００の端部から中心部にかけて膜厚が薄くなり、カバレッジが悪化する可能性が高くなる。
一方、本実施形態では、プラズマ生成部４０が半導体基板１００の上方に配置されている。そのため、半導体基板１００上にプラズマを均一に生成することができる。また、ガス放出部３０は半導体基板１００に対向しているので、ガス放出部３０から放出された成膜ガス２０１は均一に励起される。さらに、回転機構５０がステージ２０を回転させることによって、成膜ガス２０１の励起によって発生したラジカルは、半導体基板１００全面に均一に供給される。したがって、本実施形態によれば、膜１２０の厚さが均一になり、カバレッジを改善することができる。
【００３２】
また、本実施形態のガス放出部３０では、放出口３３の口径Ｄ１は、供給口３１の口径Ｄ２よりも小さい。すなわち、放出口３３は先細になっている。そのため、成膜ガス２０１の流速と指向性が高くなる。これにより、成膜ガス２０１を半導体基板１００まで十分に到達させることができる。
【００３３】
また、本実施形態では、複数の弁６０の開閉動作を個々に制御することによって、複数の放出口３３から放出される成膜ガス２０１の流量および放出領域を調整することができる。そのため、図８に示すように、例えば、半導体基板１００の中央領域Ｒ１を膜１２０の形成領域とし、中央領域Ｒ１の外側領域Ｒ２を膜１２０の非形成領域とすることができる。すなわち、半導体基板１００に酸化（窒化）領域および非酸化（非窒化）領域を形成することができる。これにより、半導体基板１００に部分的に成膜することができる。
【００３４】
さらに、本実施形態では、成膜ガス２０１の放出中に、不活性ガス２００が、導入口１１から排気口１２に向かって流れている。排気口１２は、ガス放出部３０の近傍に設けられている。そのため、不活性ガス２００の流れによって、成膜ガス２０１がガス放出部３０直下領域の外側へ拡散することを抑制できる。すなわち、成膜ガス２０１を半導体基板１００の成膜領域内に制限することができる。これにより、成膜ガス２０１を効率良く用いることができる。
【００３５】
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】
【００３６】
１  基板処理装置、１０  チャンバー、１１  導入口、１２  排気口、２０  ステージ、３０  ガス放出部、３１  供給口、３３  放出口、４０  プラズマ生成部、５０  回転機構、６０  弁、６１  供給路、７０  ヒーター、１００  半導体基板、２００  不活性ガス、２０１  成膜ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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