JP6640781B2 - 半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体製造装置に関する。

ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）やＣＤＥ（Chemical Dry Etching）等の半導体プロセスは、一般的に、真空状態のプロセスチャンバー内で行われる。このような半導体プロセスでは、基板に設けられたホール内やスリット内に付着したプロセスガスを除去するために、不活性ガスを用いる場合がある。この場合、不活性ガスの圧力が低いと、アスペクト比（口径と深さの比）が大きなホールやスリットに付着したプロセスガスが、十分に除去されない可能性がある。
高圧な不活性ガスを供給するために、プロセスチャンバー内の圧力を高めようとすると、プロセスチャンバーの容量によっては、多くの時間を要することになる。

特許第５９８９６８２号公報

短時間でガスの排気効果を高めることが可能な半導体製造装置を提供する。

本実施形態に係る半導体製造装置は、プロセスチャンバーと、ロードロックチャンバーと、ガスパージ機構と、移動機構と、を備える。プロセスチャンバーは、真空状態でプロセスガスを用いて基板を処理する。ロードロックチャンバーは、真空状態を保持しつつ基板を一時的に収容する。ガスパージ機構は、プロセスチャンバー内またはロードロックチャンバー内に設けられている。移動機構は、ガスパージ機構の下方で基板を保持する。ガスパージ機構は、移動機構に対向し、大気圧よりも高い第１圧力で不活性ガスを吐出する複数のガス供給ポートと、移動機構の移動方向に沿って複数のガス供給ポートと交互に設けられ、大気圧よりも低い第２圧力でプロセスガスおよび不活性ガスを排気する複数のガス排気ポートと、を有する。

第１実施形態に係る半導体製造装置の概略的な構成を示す図である。 ロードロックチャンバーの内部を簡略的に示す図である。 図２に示す切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。 ガスパージ機構を、その底面から見た図である。 （ａ）〜（ｃ）は、基板１００の一部を拡大して示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ガスパージ機構および移動機構の一部を拡大して示す断面図である。 変形例１に係る半導体製造装置の概略的な構成を示す図である。 変形例２に係るガスパージ機構の構造を示す断面図である。 変形例３に係るガスパージ機構を、その底面から見た図である。 変形例３に係るガスパージ機構および移動機構を模式的に示す斜視図である。 第２実施形態に係る半導体製造装置を概略的に示す図である。 第２実施形態に係るガスパージ機構を、その底面から見た図である。

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実施形態に係る半導体製造装置１の概略的な構成を示す図である。半導体製造装置１は、プロセスチャンバー１０と、ロードロックチャンバー２０と、搬送機構３０と、ガスパージ機構４０と、を備える。

プロセスチャンバー１０は、真空状態でプロセスガスを用いてウェハ状の基板１００を処理する。プロセスチャンバー１０の処理として、例えばＣＤＥが該当する。ロードロックチャンバー２０は、真空状態を保持しつつ、基板１００を一時的に収容する。搬送機構３０は、プロセスチャンバー１０とロードロックチャンバー２０との間で基板１００を搬送する。

本実施形態では、複数のプロセスチャンバー１０および複数のロードロックチャンバー２０が設けられている。しかし、各チャンバーの数は特に制限されない。

図２は、ロードロックチャンバー２０の内部を簡略的に示す図である。ロードロックチャンバー２０内には、移動機構５０が、ガスパージ機構４０の下方に設けられている。移動機構５０の上には、基板１００が保持されている。本実施形態の移動機構５０は、ガスパージ機構４０に対して平行なＸ方向および−Ｘ方向に揺動（往復移動）する揺動機構である。この移動機構５０は、搬送機構３０の一部として構成されていてもよい。また、Ｘ方向は、ロードロックチャンバー２０からプロセスチャンバー１０に向かう基板１００の進行方向と一致してもよい。

図３は、図２に示す切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。図４は、ガスパージ機構４０をその底面から見た図である。図３および図４に示すように、ガスパージ機構４０は、複数のガス供給ポート４１および複数のガス排気ポート４２を有する。

複数のガス供給ポート４１は、供給路６１(図４参照)から流入した不活性ガスを移動機構５０に保持された基板１００に向けて吐出する。このとき、各ガス供給ポート４１は、大気圧よりも高い第１圧力、例えば０．１ＭＰａよりも大きい圧力で不活性ガスを吐出する。この不活性ガスには、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。

また、図４に示すように、供給路６１には、流量制御機構６２および加熱機構６３が設けられている。流量制御機構６２は、供給路６１内における不活性ガスの流量を制御する。加熱機構６３は、ガスの排気効果を高めるために、例えば６０度以上に不活性ガスを加熱する。

複数のガス排気ポート４２は、移動機構５０の移動方向（Ｘ方向、−Ｘ方向）に沿って複数のガス供給ポート４１と交互に設けられている。複数のガス排気ポート４２は、排気路７１を介して真空ポンプ７２およびガス濃度検出器７３に接続されている。真空ポンプ７２は、排気路７１を真空状態にする。これにより、プロセスガスおよび不活性ガスが、大気圧よりも低い第２圧力で各ガス排気ポート４２から排気される。ガス濃度検出器７３は、各ガス排気ポート４２から排出されたプロセスガスの濃度を検出する。

以下、本実施形態に係る半導体製造装置１の動作について説明する。まず、搬送機構３０が、ロードロックチャンバー２０内に収容された基板１００をプロセスチャンバー１０へ搬送する(図１参照)。プロセスチャンバー１０は、真空状態でプロセスガスを用いて、搬送された基板１００を処理する。処理の途中または処理が終了すると、搬送機構３０が、プロセスチャンバー１０から基板１００を取り出して、ロードロックチャンバー２０に戻す。ロードロックチャンバー２０内では、ガスパージ機構４０および移動機構５０によって、基板１００に付着したガスが除去される。ここで、図５および図６を参照して、ガスの除去メカニズムについて説明する。

図５（ａ）から図５（ｃ）は、基板１００の一部を拡大して示す断面図である。図６（ａ）から図６（ｃ）は、ガスパージ機構４０および移動機構５０の一部を拡大して示す断面図である。

図５（ａ）に示すように、基板１００はスリット１０１を有する。スリット１０１は、例えば、３次元メモリの製造時に、絶縁層(例えばシリコン窒化膜)を電極層(例えばタングステン膜)に置換するために形成される。プロセスチャンバー１０の処理によって、スリット１０１の内壁には、粒子状のプロセスガス２０１が付着する。プロセスガス２０１は、プロセスチャンバー１０で実際に基板処理に用いられたガスであってもよいし、基板処理によって生成した副生成物、例えばアンモニウム（ＮＨ_４）であってもよい。

続いて、基板１００が、搬送機構３０によってロードロックチャンバー２０内に搬送され移動機構５０に保持される。このとき、スリット１０１は、図６（ａ）に示すように、ガス排気ポート４２よりもガス供給ポート４１の近くに位置する。この状態で不活性ガス２０２が各ガス供給ポート４１から吐出されると、図５（ｂ）に示すように、粒子状の不活性ガス２０２が、スリット１０１内に入り込む。このとき、不活性ガス２０２は、高圧で吐出されているので、スリット１０１の内壁で単位面積当たりの不活性ガス２０２の衝突回数が多くなる。その結果、図５（ｃ）に示すように、プロセスガス２０１の除去が促進される。

その後、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、移動機構５０がＸ方向および−Ｘ方向に揺動する。この揺動に伴って、スリット１０１は、ガス供給ポート４１よりもガス排気ポート４２の近くに変位する。このとき、各ガス排気ポート４２は、真空ポンプ７２によって、常時、真空状態となっているので、プロセスガス２０１および不活性ガス２０２が、各ガス排気ポート４２から排気される。

排気されたプロセスガス２０１の濃度は、ガス濃度検出器７３によって検出される。ガス濃度検出器７３は、検出結果を表示する。これにより、ユーザは、プロセスガス２０１の排気状態を確認することができる。

以上説明した本実施形態によれば、ガスパージ機構４０に設けられた複数のガス供給ポート４１は基板１００の近傍に配置され、高圧の不活性ガス２０２が各ガス供給ポート４１から基板１００に向けて吐出される。そのため、ロードロックチャンバー２０の全体を高圧状態としなくても、高圧領域が局所的に形成される。よって、短時間でプロセスガス２０１および不活性ガス２０２の排気効果を高めることができる。

また、本実施形態では、移動機構５０は、基板１００を一方向に進行させるのではなく、揺動させる。そのため、基板１００の移動範囲（ストローク）が制限されるので、装置の大型化を抑制することができる。

(変形例１)
図７は、変形例１に係る半導体製造装置１ａの概略的な構成を示す図である。図６では、上述した第１実施形態に係る半導体製造装置１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。

本変形例に係る半導体製造装置１ａでは、上述したガスパージ機構４０および移動機構５０（図７では不図示）が、プロセスチャンバー１０内に設けられている。ガスパージ機構４０および移動機構５０の構成および動作については、第１実施形態と同様である。

本変形例によれば、基板１００の処理の途中にガスパージ機構４０で排気する場合、基板１００を一旦、ロードロックチャンバー２０へ戻す必要がない。その結果、基板１００の処理に要する時間がさらに短縮されるので、生産性が向上する。

(変形例２)
図８は、変形例２に係るガスパージ機構４０ａの構造を示す断面図である。ガスパージ機構４０ａでは、ガス供給ポート４１が、移動機構５０側に突出している。一方、ガス排気ポート４２は、第１実施形態と同様に、溝状に凹んでいる。そのため、ガス供給ポート４１と移動機構５０に保持された基板１００との間隔Ｄ１は、ガス排気ポート４２と当該基板１００との間隔Ｄ２よりも小さくなる。

ガスパージ機構４０ａでは、ガス供給ポート４１からは、不活性ガス２０２が吐出される一方で、ガス排気ポート４２は、常時、真空状態に保持されている。そのため、上記間隔Ｄ１は、小さい方が望ましい。

したがって、本変形例のようにガス供給ポート４１が突出することによって、不活性ガス２０２の吐出距離が短くなる。さらに、ガス供給ポート４１とガス排気ポート４２との間における距離も広がる。その結果、より高圧な不活性ガス２０２が基板１００に供給されるので、プロセスガス２０１の排気効果をさらに高めることが可能となる。

（変形例３）
図９は、変形例３に係るガスパージ機構４０ｂを、その底面から見た図である。また、図１０は、ガスパージ機構４０ｂおよび移動機構５１を模式的に示す斜視図である。

図９に示すように、ガスパージ機構４０ｂの底面は、円形に形成されている。複数のガス供給ポート４１は、円の中心Ｃから放射状に配列され、複数のガス排気ポート４２は、中心Ｃから放射状に延びている。また、複数のガス供給ポート４１および複数のガス排気ポート４２は、移動機構５１の回転方向Ｒに沿って交互に設けられている。

本変形例では、移動機構５１は、上記中心Ｃに対して回転移動する回転機構である。移動機構５１の回転移動に伴って、各ガス供給ポート４１による不活性ガス２０２の吐出と、各ガス排気ポート４２によるプロセスガス２０１および不活性ガス２０２の排気とが、交互に繰り返される。

したがって、本変形例においても、プロセスチャンバー１０の全体またはロードロックチャンバー２０の全体を高圧状態としなくても、高圧領域が、基板１００とガスパージ機構４０との間に局所的に形成される。よって、短時間でプロセスガス２０１および不活性ガス２０２の排気効果を高めることができる。

また、本変形例においては、移動機構５１が回転移動するので、基板１００の移動範囲は、第１実施形態よりもさらに制限される。よって、本変形によれば、装置の大型化をより抑制することができる。

(第２実施形態)
図１１は、第２実施形態に係る半導体製造装置を概略的に示す図である。本実施形態では、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。

本実施形態に係る半導体製造装置２は、プロセスチャンバー１０と、ガスパージ機構４０ｃと、移動機構５０と、を備える。半導体製造装置２は、例えば、３次元メモリのメモリホール内にチャネル膜等の種々の膜を形成するＡＬＤ型成膜装置に適用できる。

プロセスチャンバー１０は、ガスパージ機構４０ｃおよび移動機構５０を収容する。プロセスチャンバー１０の内部は、熱３００によって加温される。この状態で、移動機構５０に保持された基板１００は処理される。

図１２は、ガスパージ機構４０ｃを、その底面から見た図である。ガスパージ機構４０ｃは、ガス排気ポート４２と、複数の第１ガス供給ポート４３と、複数の第２ガス供給ポート４４と、を備える。ガス排気ポート４２は、第１実施形態と同様に、排気路７１を介して真空ポンプ７２およびガス濃度検出器７３にそれぞれ接続されている。

複数の第１ガス供給ポート４３および複数の第２ガス供給ポート４４は、移動方向Ｘに直交するＹ方向に沿って交互に設けられている。各第１ガス供給ポート４３は、第１供給路６４に連通している。第１供給路６４の上流側は、前駆体ガスを供給するための供給路６４ａと、不活性ガスを供給するための供給路６４ｂとに分岐されている。供給路６４ａおよび供給路６４ｂには、流量制御機構６２ａおよび流量制御機構６２ｂがそれぞれ設けられている。

各第２ガス供給ポート４４は、第２供給路６５に連通している。第２供給路６５の上流側は、反応化合物ガスを供給するための供給路６５ａと、不活性ガスを供給するための供給路６５ｂとに分岐されている。供給路６５ａおよび供給路６５ｂには、流量制御機構６２ｃおよび流量制御機構６２ｄがそれぞれ設けられている。

以下、本実施形態に係る半導体製造装置２の動作について説明する。まず、流量制御機構６２ａが、第１供給路６４を通じて前駆体ガスを第１ガス供給ポート４３から吐出させると同時に、流量制御機構６２ｃが、第２供給路６５を通じて反応化合物ガスを第２ガス供給ポート４４から吐出させる。このとき、流量制御機構６２ｂおよび流量制御機構６２ｄは、不活性ガスの供給を停止する。前駆体ガスおよび反応化合物ガスは、混合され、成膜用のプロセスガスとして基板１００に堆積する。

成膜処理が終了すると、流量制御機構６２ａが前駆体ガスの供給を停止すると同時に、流量制御機構６２ｃが反応化合物ガスの供給を停止する。続いて、流量制御機構６２ｂおよび流量制御機構６２ｄが、第１供給路６４および第２供給路６５を通じて第１ガス供給ポート４３および第２ガス供給ポート４４からそれぞれ不活性ガスを供給し始める。このとき、本実施形態においても、不活性ガスは、第１ガス供給ポート４３および第２ガス供給ポート４４から高圧で吐出されるので、プロセスガスの除去が促進される。

その後、第１実施形態と同様に、移動機構５０がガスパージ機構４０ｃに対して平行なＸ方向および−Ｘ方向に揺動する。そのため、プロセスガスが、各ガス排気ポート４２から排気される。

以上説明した本実施形態によれば、ガスパージ機構４０ｃの第１ガス供給ポート４３および第２ガス供給ポート４４が基板１００の近傍に配置され、高圧の不活性ガスがこれらのガス供給ポートから基板１００に向けて吐出される。そのため、プロセスチャンバー１０の全体を高圧状態としなくても、高圧領域が局所的に形成される。よって、短時間でプロセスガスおよび不活性ガスの排気効果を高めることができる。

また、本実施形態では、ガスパージ機構４０ｃが、プロセスガスおよび不活性ガスの供給機能を有しているので、装置を小型化することができる。さらに、不活性ガスは、第１供給路６４および第２供給路のそれぞれを流れるので、第１ガス供給ポート４３および第２ガス供給ポート４４に付着した前駆体ガスおよび反応化合物ガスも除去できる。

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。

１０ プロセスチャンバー、２０ ロードロックチャンバー、４０，４０ａ，４０ｂ ガスパージ機構、４１ ガス供給ポート、 ４２ ガス排気ポート、５０，５１ 移動機構、６１ 供給路、６３ 加熱機構、７３ ガス濃度検出器、

Claims (7)

1. 真空状態でプロセスガスを用いて基板を処理するプロセスチャンバーと、
   前記真空状態を保持しつつ前記基板を一時的に収容するロードロックチャンバーと、
   前記プロセスチャンバー内または前記ロードロックチャンバー内に設けられたガスパージ機構と、
   前記ガスパージ機構の下方で前記基板を保持する移動機構と、を備え、
   前記ガスパージ機構は、
   前記移動機構に対向し、大気圧よりも高い第１圧力で不活性ガスを吐出する複数のガス供給ポートと、
   前記移動機構の移動方向に沿って前記複数のガス供給ポートと交互に設けられ、前記大気圧よりも低い第２圧力で前記プロセスガスおよび前記不活性ガスを排気する複数のガス排気ポートと、を有する、半導体製造装置。
2. 前記移動機構は、前記ガスパージ機構に対して平行な方向に揺動する、請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 前記ガスパージ機構は、前記ガス供給ポートおよび前記ガス排気ポートが設けられた円形面を有し、
   前記移動機構は、前記円形面の中心に対して回転移動する、請求項１に記載の半導体製造装置。
4. 前記ガス排気ポートに連通し、前記ガス排気ポートから排気された前記プロセスガスの濃度を検出するガス濃度検出器をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の半導体製造装置。
5. 前記複数のガス供給ポートに連通する供給路と、
   前記供給路に設けられ、前記不活性ガスを加熱する加熱機構と、
   をさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体製造装置。
6. 前記ガス供給ポートと前記移動機構に保持された前記基板との間隔が、前記ガス排気ポートと当該基板との間隔よりも小さい、請求項１から５のいずれかに記載の半導体製造装置。
7. 前記ガス供給ポートが前記移動機構側に突出し、前記ガス排気ポートが溝状に凹んでいる、請求項６に記載の半導体製造装置。

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