JP6364388B2 - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
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。
ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）装置は例えば、ウェハをチャンバ内で円軌道に沿って回転させながら、ウェハに膜を形成する。この場合、チャンバの中心部側に位置するウェハの内周と、チャンバの外端部側に位置するウェハの外周との間で、この膜の膜厚や膜質が変化してしまう。理由は、ＡＬＤ装置の成膜特性が、チャンバの中心部と外端部とで異なるからである。よって、ウェハに膜厚や膜質が均一な膜を形成できないことが問題となる。
ウェハに均一性の高い膜を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。
一の実施形態によれば、半導体製造装置は、第１軸の周りに設けられた第１部分と、前記第１軸と異なる第２軸の周りに設けられた第２部分と、前記第１部分と前記第２部分とを接続する第３部分と、前記第１部分と前記第２部分とを接続し、前記第３部分の下方に位置する第４部分とを含むベルト支持部を備える。前記装置はさらに、前記ベルト支持部上に設けられ、前記第１軸の周りを第１方向に回転し、前記第２軸の周りを前記第１方向とは逆の第２方向に回転するベルトを備える。前記装置はさらに、前記ベルト上に設けられ、ウェハを支持するウェハ支持部を備える。前記装置はさらに、前記ベルトの上方に設けられ、前記ウェハに形成される膜の原料を供給する複数の原料供給ヘッドを備える。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の半導体製造装置の構造を示す上面図である。
図１は、第１実施形態の半導体製造装置の構造を示す上面図である。
図１の半導体製造装置は、チャンバ１１と、インタフェース室１２と、アーム１３と、複数のＦＯＵＰ（Front Opening Unified Pod）台１４とを備えている。
チャンバ１１は、複数のウェハ１を収容可能である。図１の半導体製造装置は、ＡＬＤ装置であり、チャンバ１１内のウェハ１にＡＬＤにより膜を形成する。インタフェース室１２は、チャンバ１１内の雰囲気（真空）を外気から分離している。
アーム１３は、ＦＯＵＰ台１４上のＦＯＵＰからウェハ１を取り出し、このウェハ１をインタフェース室１２を介してチャンバ１１内に搬入する。また、アーム１３は、チャンバ１１内のウェハ１をインタフェース室１２を介して搬出し、このウェハ１をＦＯＵＰ台１４上のＦＯＵＰに収容する。ＦＯＵＰ台１４は、複数のＦＯＵＰを載置するために使用される。
図１は、水平面にほぼ平行で互いに垂直なＸ方向およびＹ方向と、水平面にほぼ垂直なＺ方向とを示している。本明細書においては、＋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。本実施形態の−Ｚ方向は、重力方向と完全に一致していてもよいし、重力方向と完全には一致していなくてもよい。
本実施形態のチャンバ１１は、ベルト２１と、ベルト支持部２２と、複数のウェハ支持部２３と、複数の第１原料供給ヘッド２４と、複数の第２原料供給ヘッド２５と、複数のパージガスヘッド２６と、モーター２７とを備えている。第１および第２原料供給ヘッド２４、２５は、本開示の複数の原料供給ヘッドの例である。
ベルト支持部２２は、ベルト２１を支持するガイドである。ベルト支持部２２は、第１から第４部分Ｐ１〜Ｐ４を含んでいる。第１部分Ｐ１は、Ｚ軸に平行な軸Ｃ１の周りに設けられている。軸Ｃ１は、第１軸の例である。第２部分Ｐ２は、Ｚ軸に平行な軸Ｃ２の周りに設けられている。軸Ｃ２は、第１軸と異なる第２軸の例である。第３部分Ｐ３は、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２とを接続している。第４部分Ｐ４は、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２とを接続し、第３部分Ｐ３の下方に位置している。第３部分Ｐ３と第４部分Ｐ４は、矢印Ｋで示す位置で立体交差している。ベルト支持部２２は、軸Ｃ１と軸Ｃ２とを包囲する８の字の形状を有している。
ベルト２１は、ベルト支持部２２上に設けられている。ベルト２１は、ベルト支持部２１と同様に８の字の形状を有し、矢印Ａのようにベルト支持部２２に沿って回転する。よって、ベルト２１は、軸Ｃ１の周りを矢印Ａ１のように反時計回りに回転し、軸Ｃ２の周りを矢印Ａ２のように時計回りに回転する、反時計回りは、第１方向の例である。時計回りは、第１方向とは逆の第２方向の例である。ベルト２１は、モーター２７により駆動されて回転する。
矢印Ａは、ベルト２１の進行方向を示す。ベルト支持部２２は、ベルト２１の進行方向に沿って延びる複数のレール２２ａ〜２２ｄを備えている。ベルト２１は、これらのレール２２ａ〜２２ｄ上に設けられている。ベルト支持部２２の詳細を図２に示す。図２は、第１実施形態のベルト支持部２２の構造を示す斜視図である。図２に示すように、レール２２ａ〜２２ｄは、矢印Ｋで示す位置で立体交差している。
再び図１を参照し、本実施形態の半導体製造装置の説明を続ける。
ウェハ支持部２３は、ベルト２１上に設けられている。よって、ウェハ支持部２３は、矢印Ａのようにベルト２１と共に回転する。ウェハ支持部２３は、ウェハ１を支持するために使用される。図１では、各ウェハ支持部２３が１枚のウェハ１を支持している。本実施形態のウェハ１は、ベルト２１によりベルトコンベア式に回転する。
符号Ｓ１は、第１部分Ｐ１を通過するウェハ支持部２３の上面を示す。符号Ｓ２は、第２部分Ｐ２を通過するウェハ支持部２３の上面を示す。本実施形態では、第１部分Ｐ１を通過するウェハ支持部２３の上面Ｓ１は、軸Ｃ１に向かうＴ１方向に下降するように、ＸＹ平面に対し傾いている。一方、第２部分Ｐ２を通過するウェハ支持部２３の上面Ｓ２は、軸Ｃ２から離れるＴ２方向に上昇するように、ＸＹ平面に対し傾いている。理由は、第４部分Ｐ４を通過するウェハ支持部２３の上面がＸＹ平面と平行になるように、各ウェハ支持部２３がベルト２１に固定されているからである。このような固定方法を採用する理由については、後述する。
なお、ベルト２１に設けられるウェハ支持部２３の個数は、いくつでもよい。例えば、１個のＦＯＵＰに収容可能なウェハ１の枚数が一般に２５枚であるため、ベルト２１に設けられるウェハ支持部２３の台数は、２５の倍数にしてもよい。
第１および第２原料供給ヘッド２４、２５は、ウェハ１に形成される膜の原料を供給するシャワーヘッドである。第１および第２原料供給ヘッド２４、２５は、ベルト２１の上方にベルト２１の進行方向に沿って交互に設けられている。この膜は、例えばシリコン酸化膜である。シリコン酸化膜は、第１元素と第２元素とを含む化合物の例である。
第１原料供給ヘッド２４は、ウェハ１に形成される膜の第１原料を供給する。本実施形態の第１原料は、シリコンを含有するシリコンソースガスである。シリコンは、第１元素の例である。本実施形態では、第１原料によりウェハ１にシリコン層が形成される。
第２原料供給ヘッド２５は、ウェハ１に形成される膜の第２原料を供給する。本実施形態の第２原料は、酸素プラズマである。酸素は、第２元素の例である。本実施形態では、第２原料によりシリコン層が酸化され、シリコン層がシリコン酸化膜に変化する。
なお、ウェハ１に形成される膜は、シリコン酸化膜以外でもよい。このような膜の例は、アルミニウム酸化膜、アルミニウム窒化膜、チタン酸化膜、チタン窒化膜、シリコン窒化膜である。ウェハ１に形成される膜がシリコン窒化膜の場合、第１原料の例はシリコンソースガスであり、第２原料の例は窒素プラズマである。この場合、第２原料によりシリコン層が窒化され、シリコン層がシリコン窒化膜に変化する。なお、ウェハ１にシリコン層からある膜を形成する際、シリコン層を酸化や窒化以外の化学変化によりこの膜に変化させてもよい。
パージガスヘッド２６は、パージガスを供給するシャワーヘッドである。パージガスの例は、窒素ガスや希ガスなどの不活性ガスである。パージガスヘッド２６は、ベルト２１の上方において、第１原料供給ヘッド２４と第２原料供給ヘッド２５との間に設けられている。パージガスは、シリコンソースガス（第１原料）と酸素プラズマ（第２原料）を排気するために使用される。
なお、本実施形態のパージガスヘッド２６は、第１原料供給ヘッド２４と第２原料供給ヘッド２５との間のすべての隙間に設けられている。ただし、図１では、作図の便宜上、２つの隙間に設けられた２つのパージガスヘッド２６だけが図示されている。よって、本実施形態では、これらのヘッド２４、２５、２６が、ヘッド２４、ヘッド２６、ヘッド２５、ヘッド２６の順に繰り返し配置されている。
次に、符号ＥＲ、ＥＬについて説明する。
符号ＥＲ、ＥＬはそれぞれ、ベルト２１の進行方向に対する各ウェハ１の右端と左端を示す。各ウェハ１が第１部分Ｐ１を通過する際、右端ＥＲは軸Ｃ１に対し各ウェハ１の外周となり、左端ＥＬは軸Ｃ１に対し各ウェハ１の内周となる。一方、各ウェハ１が第２部分Ｐ２を通過する際、右端ＥＲは軸Ｃ２に対し各ウェハ１の内周となり、左端ＥＬは軸Ｃ２に対し各ウェハ１の外周となる。
このように、本実施形態では、各ウェハ１の内周と外周を、第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２との間で入れ替えることができる。よって、本実施形態によれば、各ウェハ１に膜厚や膜質が均一な膜を形成することができる。また、本実施形態によれば、このような入れ替えを各ウェハ１をベルト２１により搬送するだけで実現できるため、半導体装置の生産性を落とさずに均一性の高い膜を形成することができる。
例えば、各ウェハ１の内周には、シリコンに対する酸素の比率が高く、膜厚の大きい膜が形成され、各ウェハ１の外周には、シリコンに対する酸素の比率が低く、膜厚の小さい膜が形成されると想定する。この場合、各ウェハ１が第１部分Ｐ１を通過する際には、右端ＥＲには、シリコンに対する酸素の比率が低く、膜厚の小さい膜が形成される。一方、各ウェハ１が第２部分Ｐ２を通過する際には、右端ＥＲには、シリコンに対する酸素の比率が高く、膜厚の大きい膜が形成される。左端ＥＬでは、この逆の関係が成り立つ。その結果、各ウェハ１には、膜質（シリコン比率）や膜厚が均一な膜が形成される。
図３は、第１実施形態の半導体製造装置の構造を示す断面図である。
図３は、矢印Ｋで示す立体交差の位置におけるベルト２１、ベルト支持部２２、およびウェハ支持部２３の断面を示している。
各ウェハ支持部２３は、ステージ２３ａと、シャフト２３ｂと、ヒーター２３ｃを備えている。ステージ２３ａは、ウェハ１を載置するために使用される。シャフト２３ｂは、ステージ２３ａとベルト２１に固定されている。ヒーター２３ｃは、ステージ２３ａ内に設けられており、ステージ２３ａ上のウェハ１を加熱する。本実施形態のヒーター２３ｃは、ウェハ１をシリコンを吸着可能な温度に加熱するために使用される。
符号ＳＡは、第４部分Ｐ４を通過するウェハ支持部２３の上面（ステージ２３ａの上面）を示す。符号ＳＢは、第３部分Ｐ３の下面を示す。符号ＳＣは、第４部分Ｐ４を通過するウェハ１の上面を示す。
本実施形態では、第４部分Ｐ４を通過するウェハ支持部２３の上面ＳＡが第３部分Ｐ３の下面ＳＢと平行になるように、各ウェハ支持部２３がベルト２１に固定されている。理由は、ウェハ支持部２３の上面ＳＡが第３部分Ｐ３の下面ＳＢに対して傾いていると、ウェハ１の上面ＳＣが第３部分Ｐ３の下面ＳＢに接触しやすくなるからである。本実施形態によれば、ウェハ支持部２３の上面ＳＡと第３部分Ｐ３の下面ＳＢとの距離を短く設定しつつ、ウェハ１と第３部分Ｐ３との接触を抑制することが可能となる。本実施形態では、第３部分Ｐ３の下面ＳＢが、ＸＹ平面に平行に設定されている。よって、第４部分Ｐ４を通過するウェハ支持部２３の上面ＳＡも、ＸＹ平面に平行になる。
図４は、第１実施形態のウェハ支持部２３の構造を示す斜視図である。
図４(ａ)は、第１部分Ｐ１を通過するウェハ支持部２３を示す。本実施形態では、第４部分Ｐ４を通過するウェハ支持部２３の上面ＳＡが第３部分Ｐ３の下面ＳＢと平行になるように、各ウェハ支持部２３がベルト２１に固定されている。その結果、第１部分Ｐ１を通過するウェハ支持部２３の上面Ｓ１は、軸Ｃ１に向かうＴ１方向に下降するようにＸＹ平面に対し傾いており、上述の上面ＳＡや下面ＳＢに対し傾いている。よって、ウェハ１が第１部分Ｐ１を通過する際、図１の左端ＥＬが右端ＥＲよりも低くなる。
図４(ｂ)は、第２部分Ｐ２を通過するウェハ支持部２３を示す。本実施形態では、第４部分Ｐ４を通過するウェハ支持部２３の上面ＳＡが第３部分Ｐ３の下面ＳＢと平行になるように、各ウェハ支持部２３がベルト２１に固定されている。その結果、第２部分Ｐ２を通過するウェハ支持部２３の上面Ｓ２は、軸Ｃ２から離れるＴ２方向に上昇するようにＸＹ平面に対し傾いており、上述の上面ＳＡや下面ＳＢに対し傾いている。よって、ウェハ１が第２部分Ｐ２を通過する際、図１の左端ＥＬが右端ＥＲよりも高くなる。
図４(ａ)の上面Ｓ１や図４(ｂ)の上面Ｓ２の傾きは５度程度である。よって、ウェハ１がウェハ支持部２３から落下しないようにウェハ１を保持することは可能である。ただし、ウェハ１がウェハ支持部２３上で移動しないように、ステージ２３ａの上面を摩擦係数の大きい材料で形成したり、ステージ２３ａにストッパやチャックを設けてもよい。
図５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。本方法は、図１の半導体製造装置を使用して実行される。
まず、ウェハ１が１つの第１原料供給ヘッド２４の下を通過する際に、この第１原料供給ヘッド２４からウェハ１にシリコンソースガス（第１原料）が供給される。その結果、ウェハ１にシリコン層２ａが形成される（図５(ａ)）。
次に、ウェハ１が１つの第２原料供給ヘッド２５の下を通過する際に、この第２原料供給ヘッド２５からウェハ１に酸素プラズマ（第２原料）が供給される。その結果、シリコン層２ａに酸素原子２ｂが吸着する（図５(ｂ)）。
さらに、シリコン層２ａが酸素原子２ｂにより酸化される。その結果、シリコン層２ａがシリコン酸化膜２ｃに変化する（図５(ｃ)）。
その後、ウェハ１は、ベルト２１により搬送されることで、第１および第２原料供給ヘッド２４、２５の下を交互に通過する。その結果、ウェハ１にシリコン酸化膜２ｃが繰り返し形成される。こうして、ウェハ１の表面に、シリコン酸化膜２ｃからなる膜２が形成される。
なお、本方法を実行する際には、ウェハ１はウェハ支持部２３のヒーター２３ｃにより加熱される。
図６は、第１実施形態の半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。図６は、図５の方法の詳細を示している。
まず、１つの第１原料供給ヘッド２４からウェハ１にシリコンソースガス（第１原料）が供給される（ステップＳ１）。その結果、ウェハ１にシリコン層２ａが形成される（ステップＳ２）。
次に、ウェハ１は、１つのパージガスヘッド２６の下を通過する。この際、このパージガスヘッド２６からウェハ１にパージガスが供給される（ステップＳ３）。その結果、ウェハ１付近のシリコンソースガスが排気される。
次に、１つの第２原料供給ヘッド２５からウェハ１に酸素プラズマ（第２原料）が供給される（ステップＳ４）。その結果、ウェハ１にシリコン層２ａからシリコン酸化膜２ｃが形成される（ステップＳ５）。
次に、ウェハ１は、１つのパージガスヘッド２６の下を通過する。この際、このパージガスヘッド２６からウェハ１にパージガスが供給される（ステップＳ６）。その結果、ウェハ１付近の酸素プラズマが排気される。
その後、ステップＳ１〜Ｓ６が繰り返し実行され、ウェハ１にシリコン酸化膜２ｃが繰り返し形成される。こうして、ウェハ１の表面に、シリコン酸化膜２ｃからなる膜２が形成される。
図７は、第１実施形態の比較例の半導体製造装置の構造を示す上面図である。
本比較例の半導体製造装置は、ＡＬＤ装置であり、ウェハ１をチャンバ１１内で円軌道に沿って回転させながら、ウェハ１に膜を形成する。符号Ｃは、チャンバ１１の中心を示す。符号Ｂは、チャンバ１１の外端を示す。
この場合、各ウェハの右端ＥＲは常にウェハ１の外周となり、各ウェハの左端ＥＬは常にウェハ１の内周となる。そのため、ウェハ１に膜厚や膜質が均一な膜を形成することは難しい。
一方、本実施形態では、各ウェハ１の内周と外周を第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２との間で入れ替えることができるため、各ウェハ１に膜厚や膜質が均一な膜を形成することが可能となる。
図８は、第１実施形態の変形例のベルト支持部２２の構造を示す上面図である。
図８(ａ)では、第１部分Ｐ１の半径がＲ１に設定され、第２部分Ｐ２の半径がＲ２（＞Ｒ１）に設定されている。このように、第１部分Ｐ１のサイズと第２部分Ｐ２のサイズは異なっていてもよい。ただし、図１のようにこれらを同じサイズにすることには、均一性の高い膜を形成しやすいという利点がある。
図８(ｂ)では、第１および第２部分Ｐ１、Ｐ２の形状が楕円になっている。このように、第１および第２部分Ｐ１、Ｐ２の形状は、円以外でもよい。
図８(ｃ)では、ベルト支持部２２が、軸Ｃ１、Ｃ２に加えて軸Ｄ１、Ｄ２を包囲しており、２つの８の字をつなげた形状を有している。部分Ｑ２は、第１部分Ｐ１と同様の形状を有している。部分Ｑ１は、第２部分Ｐ２と同様の形状を有している。部分Ｑ３、Ｑ５は、第３部分Ｐ３と同様の形状を有している。部分Ｑ４、Ｑ６は、第４部分Ｐ４と同様の形状を有している。このように、ベルト支持部２２は、各ウェハ１の内周と外周を入れ替えることが可能であれば、８の字以外の形状を有していてもよい。
以上のように、本実施形態の半導体製造装置は、第１から第４部分Ｐ１〜Ｐ４を含むベルト支持部２２と、軸Ｃ１の周りを第１方向に回転し、軸Ｃ２の周りを第２方向に回転するベルト２１と、ベルト２１に設けられたウェハ支持部２３等を備えている。よって、本実施形態によれば、ウェハ１の内周と外周を第１部分Ｐ１と第２部分Ｐ２との間で入れ替えることが可能となり、ウェハ１に均一性の高い膜を形成することが可能となる。
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。
１：ウェハ、２：膜、２ａ：シリコン層、２ｂ：酸素原子、２ｃ：シリコン酸化膜、
１１：チャンバ、１２：インタフェース室、１３：アーム、１４：ＦＯＵＰ台、
２１：ベルト、２２：ベルト支持部、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ：レール、
２３：ウェハ支持部、２３ａ：ステージ、２３ｂ：シャフト、２３ｃ：ヒーター、
２４：第１原料供給ヘッド、２５：第２原料供給ヘッド、
２６：パージガスヘッド、２７：モーター
１１：チャンバ、１２：インタフェース室、１３：アーム、１４：ＦＯＵＰ台、
２１：ベルト、２２：ベルト支持部、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ：レール、
２３：ウェハ支持部、２３ａ：ステージ、２３ｂ：シャフト、２３ｃ：ヒーター、
２４：第１原料供給ヘッド、２５：第２原料供給ヘッド、
２６：パージガスヘッド、２７：モーター
Claims (10)
- 第１軸の周りに設けられた第１部分と、前記第１軸と異なる第２軸の周りに設けられた第２部分と、前記第１部分と前記第２部分とを接続する第３部分と、前記第１部分と前記第２部分とを接続し、前記第３部分の下方に位置する第４部分とを含むベルト支持部と、
前記ベルト支持部上に設けられ、前記第１軸の周りを第１方向に回転し、前記第２軸の周りを前記第１方向とは逆の第２方向に回転するベルトと、
前記ベルト上に設けられ、ウェハを支持するウェハ支持部と、
前記ベルトの上方に設けられ、前記ウェハに形成される膜の原料を供給する複数の原料供給ヘッドと、
を備える半導体製造装置。 - 前記ウェハ支持部は、前記第４部分を通過する前記ウェハ支持部の上面が前記第３部分の下面と平行になるように、前記ベルトに設けられている、請求項１に記載の半導体製造装置。
- 前記ウェハ支持部は、前記第１または第２部分を通過する前記ウェハ支持部の上面が、前記第４部分を通過する前記ウェハ支持部の上面に対し傾くように、前記ベルトに設けられている、請求項２に記載の半導体製造装置。
- 前記ベルト支持部は、前記第１軸と前記第２軸とを包囲する８の字の形状を有する、請求項１に記載の半導体製造装置。
- 前記原料供給ヘッドは、前記膜の第１原料を供給する複数の第１原料供給ヘッドと、前記膜の第２原料を供給する複数の第２原料供給ヘッドとを含む、請求項１に記載の半導体製造装置。
- 前記膜は、第１元素と第２元素とを含む化合物であり、前記第１原料は前記第１元素を含み、前記第２原料は前記第２元素を含む、請求項５に記載の半導体製造装置。
- 前記第１原料は、前記ウェハに前記第１元素を含む層を形成し、前記第２原料は、前記層を化学変化により前記化合物に変化させる、請求項６に記載の半導体製造装置。
- 前記第１原料供給ヘッドと前記第２原料供給ヘッドは、前記ベルトの上方に前記ベルトの進行方向に沿って交互に設けられている、請求項５に記載の半導体製造装置。
- さらに、前記第１原料供給ヘッドと前記第２原料供給ヘッドとの間に設けられ、パージガスを供給する複数のパージガスヘッドを備える、請求項５に記載の半導体製造装置。
- ウェハを支持するウェハ支持部が設けられたベルトを、第１軸の周りで第１方向に回転させ、
前記ベルトを、前記第１軸と異なる第２軸の周りで前記第１方向とは逆の第２方向に回転させ、
前記ベルトの上方に設けられた複数の原料供給ヘッドから、前記ウェハに形成される膜の原料を供給する、
ことを含み、
前記ベルトは、前記第１軸の周りに設けられた第１部分と、前記第２軸の周りに設けられた第２部分と、前記第１部分と前記第２部分とを接続する第３部分と、前記第１部分と前記第２部分とを接続し、前記第３部分の下方に位置する第４部分とを含むベルト支持部上に設けられている、半導体装置の製造方法。
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