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JP2022049494A - 半導体製造装置 - Google Patents

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Miki Fujii
大介 西田
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Kioxia Corp
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Abstract

【課題】ラジカル生成の制御性を向上させることが可能な半導体製造装置を提供する。【解決手段】一実施形態に係る半導体製造装置は、半導体基板を収容するチャンバーと、チャンバーの側面に設けられる複数のコイルと、を備える。チャンバーは、半導体基板の上方で複数のコイルの一つである第１コイルに囲まれる第１空間領域と、第１空間領域に連通する第１ガス導入口と、複数のコイルの中で第１コイルと異なる第２コイルに囲まれる第２空間領域と、第２空間領域に連通する第２ガス導入口と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体製造装置に関する。
半導体製造装置の一つにプラズマ処理装置がある。このプラズマ処理装置では、チャンバーを囲むコイルに通じてしてガスを導入すると、プラズマがチャンバー内で発生する。このプラズマによって、ラジカルが生成する。このラジカルによって、半導体基板に形成された膜に対して、例えば酸化または窒化といった処理が行われる。
特開２００５－２１７４２５号公報
上記ラジカルの生成量は、コイルからの距離に影響を受ける場合がある。また、複数種のガスを同時にチャンバーに導入する場合、電子の解離特性はガス種に応じて異なるため、ガス毎にラジカル生成を制御することは困難である。
本発明の実施形態は、ラジカル生成の制御性を向上させることが可能な半導体製造装置を提供することである。
一実施形態に係る半導体製造装置は、半導体基板を収容するチャンバーと、チャンバーの側面に設けられる複数のコイルと、を備える。チャンバーは、半導体基板の上方で複数のコイルの一つである第１コイルに囲まれる第１空間領域と、第１空間領域に連通する第１ガス導入口と、複数のコイルの中で第１コイルと異なる第２コイルに囲まれる第２空間領域と、第２空間領域に連通する第２ガス導入口と、を有する。
第１実施形態に係る半導体製造装置の構成を概略的に示す模式図である。 比較例に係る半導体製造装置の概略的な構造を示す断面図である。 第１変形例に係る半導体製造装置の要部の構造を示す断面図である。 第２変形例に係る半導体製造装置の概略的な構造を示す断面図である。 第２実施形態に係る半導体製造装置の概略的な構造を示す断面図である。 第３変形例に係る半導体製造装置の概略的な構造を示す断面図である。
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の概略的な構造を示す断面図である。図１に示す半導体製造装置１は、ステージ１０と、第１石英管２０と、第２石英管３０と、第１コイル４０と、第２コイル５０と、シャワープレート６０と、を備える。本実施形態に係る半導体製造装置１は、半導体基板１０１の上面に形成された膜１０２に対して酸化または窒化等の処理を行うプラズマ処理装置である。
ステージ１０には、半導体基板１０１が載置されている。半導体基板１０１の上面に形成された膜１０２は、例えばタングステン（Ｗ）を含む金属膜である。
第１石英管２０および第２石英管３０は、チャンバーを構成し、同心状に配置された多重管構造である。なお、この多重管構造は、３重以上の同心に配置された石英管も含まれる。
まず第１石英管２０について説明する。第１石英管２０は、半導体基板１０１を収容し、第１空間領域２１および第１ガス導入口２２を有する。第１空間領域２１は、半導体基板１０１の上方で第１コイル４０に囲まれた第１石英管２０の内部空間である。
第１ガス導入口２２は、第１石英管２０の上面に形成され、第１空間領域２１に連通する。第１ガス導入口２２には、第１ガス２０１が導入される。第１ガス２０１は、例えば、酸素（Ｏ２）ガス、窒素（Ｎ２）ガス、若しくは水素（Ｈ２）ガス、またはそれぞれのガスを混合したガスである。
続いて、第２石英管３０について説明する。第２石英管３０は、第１石英管２０内で半導体基板１０１（膜１０２）の中央部の上方に配置され、第１管状部３０ａおよび第２管状部３０ｂを有する。第１管状部３０ａは、第２空間領域３１および第２ガス導入口３２を有する。第２空間領域３１は、第１空間領域２１の上方で第２コイル５０に囲まれた第１管状部３０ａの内部空間である。
第２ガス導入口３２は、第１管状部３０ａの上面に形成され、第２空間領域３１に連通する。第２ガス導入口３２には、第２ガス２０２が第１ガス２０１と同時に導入される。第２ガス２０２は、第１ガス２０１と同種のガスである。
第２管状部３０ｂは、第１管状部３０ａの底部から第１空間領域２１に向けて突出している。第２管状部３０ｂによって、第２ガス２０２の流路が第１ガス２０１の流路（第１空間領域２１）と区切られる。そのため、第１ガス２０１と第２ガス２０２が混ざりにくくなる。第１ガス２０１および第２ガス２０２の混合を回避するためには、第２管状部３０ｂは、第１コイル４０の下端部と同じ位置まで延びていることが望ましい。換言すると、第２管状部３０ｂの底部と、第１コイル４０の下端部とは、半導体基板１０１からの高さが同じであることが望ましい。
本実施形態の第２石英管３０では、第２管状部３０ｂの開口径は、第１管状部３０ａの開口径と等しいため、第１管状部３０ａで生成されたラジカルの流れは、第２管状部３０ｂで阻害されない。また、第２管状部３０ｂの厚さｔ２が大きいと、第１コイル４０によるラジカル生成が阻害されてしまう。このラジカル生成の阻害を抑制するために、第２管状部３０ｂの厚さｔ２は、第１管状部３０ａの厚さｔ１よりも薄いことが望ましい。
第１コイル４０は、第１石英管２０の側面に設けられている。電流が第１コイル４０を流れ、第１ガス２０１が第１ガス導入口２２から導入されると、第１空間領域２１にプラズマが発生する。このプラズマによって、第１ガス２０１に含まれた分子のラジカルが生成される。このラジカルによって、膜１０２の外周部が酸化または窒化される。なお、図１では、第１コイル４０は、第１石英管２０の側面の外側に設けられているが、側面の内側に設けられていてもよい。
第２コイル５０は、第１管状部３０ａの側面に設けられている。電流が第２コイル５０を流れると、第２空間領域３１にプラズマが発生する。このプラズマによって、第２ガス２０２に含まれた分子のラジカルが生成される。このラジカルによって、膜１０２の中央部が酸化または窒化される。本実施形態では、第２空間領域３１で生成されるラジカルの密度が、第１空間領域２１で生成されるラジカルの密度と等しくなるように、第２コイル５０が設定される。例えば、第２コイル５０に関して、コイル長、巻き数、および電流は、第１コイル４０と同じ値に設定される。
シャワープレート６０は、第１石英管２０および第２石英管３０の上面に設けられている。シャワープレート６０は、第１ガス２０１を第１ガス導入口２２へ導くとともに、第２ガス２０２を第２ガス導入口３２へ導く。
以下、図２を参照して、比較例に係る半導体製造装置について説明する。図２は、比較例に係る半導体製造装置の概略的な構造を示す断面図である。図１に示す半導体製造装置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。
図２に示す半導体製造装置１００には、第１コイル４０が石英チャンバー１２０の側面に設けられているが、第２石英管３０および第２コイル５０は石英チャンバー１２０内に設けられていない。そのため、第１空間領域２１におけるラジカル密度が、第１コイル４０との距離に応じて不均一になりやすい。具体的には、第１コイル４０から離れた第１空間領域２１の中央では、ラジカル密度が低くなる。
そのため、例えば水素ガスおよび酸素ガスが第１ガス２０１として第１ガス導入口２２から第１空間領域２１に導入された場合、還元剤である水素ラジカルが失活する場合がある。この場合、膜１０２の中央部でタングステンの異常酸化が起こり得る。
一方、本実施形態では、第１石英管２０内に、第２石英管３０および第２コイル５０が設けられている。また、第１石英管２０には第１ガス２０１が第１ガス導入口２２から導入されると同時に、第２石英管３０には第２ガス２０２が第２ガス導入口３２から導入される。すなわち、本実施形態に係る半導体製造装置１は、チャンバーのインナー領域とアウター領域でそれぞれ異なるガス導入口からガスを供給し、個別のコイルでラジカルを生成する。そのため、インナー領域とアウター領域でラジカル量やラジカル比率を制御することができる。
したがって、本実施形態によれば、ラジカル生成の制御性を向上させることが可能となる。
（第１変形例）
図３は、第１変形例に係る半導体製造装置の要部の構造を示す断面図である。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では、図３に示すように、磁性体７０が、第２石英管３０の第１管状部３０ａ内で第２コイル５０を囲んでいる。第２コイル５０の磁気は、第１空間領域２１におけるプラズマの発生に影響を及ぼす場合がある。この場合、第１空間領域２１におけるラジカル生成の制御が妨げられることが想定される。
そこで、本変形例では、磁性体７０は、第２コイル５０全体を囲むことによって、第２コイル５０の磁気を遮断するシールドとして機能する。この機能によって、第１空間領域２１におけるラジカル生成の制御性をさらに向上させることが可能となる。
（第２変形例）
図４は、第２変形例に係る半導体製造装置の概略的な構造を示す断面図である。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１ｂでは、図４に示すように、第２石英管３０の構造が第１実施形態と異なる。第１実施形態では、第１管状部３０ａが第２管状部３０ｂの上側に配置される。
一方、本変形例では、第１管状部３０ａおよび第２管状部３０ｂの上下の位置関係が第１実施形態と反対になっている。すなわち、第１管状部３０ａが第２管状部３０ｂの下側に配置される。
また、第１実施形態では、第１コイル４０が、第２コイル５０の下側に配置されているのに対し、本変形例では、両コイルの位置関係が第１実施形態と反対になっている。すなわち、第１コイル４０が、第２コイル５０の上側に配置されている。
上記のような配置構成であっても、第１空間領域２１および第２空間領域３１にそれぞれ個別にガスを導入し、各コイルでラジカル生成を制御することができる。
したがって、本変形例においても、ラジカル生成の制御性を向上させることが可能となる。
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係る半導体製造装置の概略的な構造を示す断面図である。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。
本実施形態に係る半導体製造装置２では、第１コイル４０が石英チャンバー１２１の側面を囲んでいる。また、第２コイル５０が、第１コイル４０の下方で石英チャンバー１２１の側面を囲んでいる。さらに、第２ガス導入口３２が、第１コイル４０と第２コイル５０との間に設けられている。
第２ガス導入口３２には、第１ガス２０１よりもラジカル化しやすい第２ガス２０２が導入される。例えば、第１ガス２０１がヘリウム（Ｈｅ）ガスである場合、第２ガス２０２は酸素ガスである。
本実施形態では、第１空間領域２１および第２空間領域３１でラジカル生成量を個別に調整するために、第１コイル４０のパワーは、第２コイル５０のパワーよりも大きい。具体的には、第１コイル４０を流れる電流は、第２コイル５０を流れる電流よりも大きい。または、第１コイル４０のコイル長は、第２コイル５０のコイル長よりも長い。または、第１コイル４０のコイル径は、第２コイル５０のコイル径よりも大きい。または、第１コイル４０は、石英チャンバー１２１の側面の内側に配置し、第２コイル５０は、石英チャンバー１２１の側面の外側に配置する。
以下、本実施形態に係る半導体製造装置１と図２に示す比較例に係る半導体製造装置１００との比較について説明する。
比較例に係る半導体製造装置１００で、第１コイル４０に通電した状態で酸素ガスとヘリウムガスとを混合した第１ガス２０１を、第１ガス導入口２２から石英チャンバー１２０へ導入すると、酸素ガスおよびヘリウムガスの各々のラジカルが第１空間領域２１で生成される。同じプラズマ条件下では、ヘリウムガスは、酸素ガスよりもラジカル化しにくい。そのため、ヘリウムガスと酸素ガスとの間でラジカルの生成量差が生じて、この生成量差が膜１０２の酸化処理に影響する場合がある。
一方、本実施形態では、第１ガス２０１が第１ガス導入口２２から石英チャンバー１２１に導入されると同時に、第１ガス２０１と異種の第２ガス２０２が第２ガス導入口３２から石英チャンバー１２１に導入される。石英チャンバー１２１では、第１コイル４０および第２コイル５０のパワーを調整することによって、第１ガス２０１のラジカル生成量および第２ガス２０２のラジカル生成量を個別に制御できる。
したがって、本実施形態によれば、異種のガスを同時に導入する場合にも、ラジカル生成の制御性を向上させることが可能となる。
（第３変形例）
図６は、第３変形例に係る半導体製造装置の概略的な構造を示す断面図である。上述した第２実施形態に係る半導体製造装置２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２では、第１コイル４０の中心から石英チャンバー１２１の側面までの距離Ｄ１が、第２コイル５０の中心から石英チャンバー１２１の側面までの距離Ｄ２よりも小さい。石英チャンバー１２１までの距離が小さいほど、プラズマ強度は高くなる。
そのため、本変形例では、第２コイル５０よりも第１コイル４０を石英チャンバー１２１に近い位置に配置することによって、第１空間領域２１のプラズマ強度を、第２空間領域３１のプラズマ強度よりも高く設定する。これにより、第２実施形態と同様に、第１ガス２０１のラジカル生成が促進される。
以上説明した本変形によれば、第２実施形態と同様に、異種のガスを同時に導入する場合にも、ラジカル生成の制御性を向上させることが可能となる。
なお、特許請求の範囲に記載された半導体製造装置は、以下の付記に記載されている構成であってもよい。
（付記１）
前記第２石英管は、前記半導体基板の中央部の上方に配置される、請求項２に記載の半導体製造装置。
（付記２）
前記第１管状部の開口径が、前記第２管状部の開口径と等しい、請求項４に記載の半導体製造装置。
（付記３）
前記第２管状部が、前記第１コイルの下端部と同じ位置まで延びている、請求項４に記載の半導体製造装置。
（付記４）
前記第１コイルが前記第２コイルの下方に配置されている、請求項１に記載の半導体製造装置。
（付記５）
前記第１コイルが前記第２コイルの上方に配置されている、請求項１に記載の半導体製造装置。
（付記６）
前記第１ガス導入口には、第１ガスが導入され、前記第２ガス導入口には、前記第１ガスと同種の第２ガスが、前記第１ガスと同時に導入される、請求項１に記載の半導体製造装置。
（付記７）
前記第１ガスおよび前記第２ガスが、酸素ガスまたは窒素ガスと、水素ガスとの混合ガスである、付記６に記載の半導体製造装置。
（付記８）
前記第１コイルの中心から前記チャンバーの側面までの距離が、前記第２コイルの中心から前記側面までの距離よりも小さい、請求項５に記載の半導体製造装置。
（付記９）
前記第１ガス導入口には、第１ガスが導入され、前記第２ガス導入口には、前記第１ガスと異種の第２ガスが、前記第１ガスと同時に導入される、請求項１に記載の半導体製造装置。
（付記１０）
前記第１ガスがヘリウムガスであり、前記第２ガスが酸素ガスである、付記９に記載の半導体製造装置。
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。
１、１ｂ、２：半導体製造装置
２０：第１石英管
２１：第１空間領域
２２：第１ガス導入口
３０：第２石英管
３０ａ：第１管状部
３０ｂ：第２管状部
３１：第２空間領域
３２：第２ガス導入口
４０：第１コイル
５０：第２コイル
７０：磁性体
１０１：半導体基板
２０１：第１ガス
２０２：第２ガス

Claims (5)

  1. 半導体基板を収容するチャンバーと、
    前記チャンバーの側面に設けられる複数のコイルと、を備え、
    前記チャンバーは、前記半導体基板の上方で前記複数のコイルの一つである第１コイルに囲まれる第１空間領域と、前記第１空間領域に連通する第１ガス導入口と、前記複数のコイルの中で前記第１コイルと異なる第２コイルに囲まれる第２空間領域と、前記第２空間領域に連通する第２ガス導入口と、を有する半導体製造装置。
  2. 前記チャンバーは、前記第１空間領域および前記第１ガス導入口を有する第１石英管と、前記第２空間領域および前記第２ガス導入口を有する第２石英管と、を有し、前記第１石英管および前記第２石英管は、同心状に配置された多重管構造である、請求項１に記載の半導体製造装置。
  3. 前記第２石英管内で前記第２コイルを囲む磁性体をさらに備える、請求項２に記載の半導体製造装置。
  4. 前記第２石英管は、前記第２空間領域を有する第１管状部と、前記第１管状部から前記第１空間領域に向けて突出した第２管状部と、を有し、前記第２管状部の厚さは、前記第１管状部の厚さよりも薄い、請求項２または３に記載の半導体製造装置。
  5. 前記第１コイルが、前記第２コイルの上方に配置され、
    前記第２ガス導入口が、前記第１コイルと前記第２コイルとの間に配置される、請求項１に記載の半導体製造装置。
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