半导体制造装置及半导体装置的制造方法与流程

半导体制造装置及半导体装置的制造方法
1.[相关申请的交叉参考]
[0002]
本技术享有以日本专利申请2021-029111号(申请日：2021年2月25日)为基础申请的优先权。本技术通过参照该基础申请而包含基础申请的所有内容。
技术领域
[0003]
本发明的实施方式涉及一种半导体制造装置及半导体装置的制造方法。


背景技术：

[0004]
在反应器(reactor)内使用气体对衬底进行处理的情况下，有时包含反应器中未被消耗的气体的排出气体从反应器排出。如果将这样的排出气体废弃，那么反应器中未被消耗的气体就被无端废弃了。


技术实现要素：

[0005]
本发明要解决的问题在于提供一种能够抑制将反应器等衬底处理部的排出气体无端废弃的半导体制造装置及半导体装置的制造方法。
[0006]
一实施方式的半导体制造装置具备衬底处理部，所述衬底处理部使用第1物质的气体与第2物质的气体对衬底进行处理，并排出包含所述第1及第2物质中的至少任一种的第1气体。所述装置还具备将从所述衬底处理部排出的所述第1气体废弃的废弃部。所述装置还具备回收部，所述回收部使用从所述衬底处理部排出的所述第1气体内的所述第1物质，生成包含所述第2物质的第2气体，并将所述第2气体供给到所述衬底处理部。
附图说明
[0007]
图1是示意性地表示第1实施方式的半导体制造装置的构成的立体图。
[0008]
图2是示意性地表示第1实施方式的d2o生成器的构成例的剖视图。
[0009]
图3是表示第1实施方式的反应器的动作例的流程图。
[0010]
图4是表示第1实施方式的衬底的示例的剖视图(1/2)。
[0011]
图5是表示第1实施方式的衬底的示例的剖视图(2/2)。
[0012]
图6是示意性地表示第2实施方式的半导体制造装置的构成的立体图。
具体实施方式
[0013]
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。在图1至图6中，对相同构成标注相同的符号，并省略重复说明。
[0014]
(第1实施方式)
[0015]
图1是示意性地表示第1实施方式的半导体制造装置的构成的立体图。
[0016]
图1的半导体制造装置具备反应器11、泵12、净化器(洗涤器)13、d2o生成器14、d2o冷凝器15、d2o罐16、d2o气化器17、液位计21、阀22、及控制部23(d表示氘，o表示氧)。反应器
11是衬底处理部的示例，d2o罐16是收容部的示例。进而，液位计21是测量部的示例，阀22是切换部的示例。图1的半导体制造装置还具备d2供给部1、d2o供给部2、o2供给部3、及d2供给部4。
[0017]
图1的半导体制造装置还具备废弃系统的流路p1及回收系统的流路p2。净化器13设置在流路p1上，构成本实施方式的半导体制造装置的废弃系统。d2o生成器14、d2o冷凝器15、d2o罐16、及d2o气化器17设置在流路p2上，构成本实施方式的半导体制造装置的回收系统。流路p1及净化器13是废弃部的示例。另一方面，流路p2、d2o生成器14、d2o冷凝器15、d2o罐16、及d2o气化器17是回收部的示例。流路p1从阀22延伸。流路p2从阀22向反应器11延伸。
[0018]
反应器11收容作为处理对象的衬底(晶圆)w，并使用气体对所收容的衬底w进行处理。本实施方式的反应器11使用d2气体(氘气体)与d2o气体(重水气体)对衬底w进行处理。结果，衬底w内的物质与d2气体及d2o气体发生化学反应。通过该化学反应而产生的气体、与衬底w内的物质未发生化学反应的d2气体及d2o气体作为排出气体从反应器11排出。图1将该排出气体表示为“气体g1”。本实施方式的反应器11是使用d2气体与d2o气体对衬底w进行退火的退火炉。d2是第1物质的示例，d2o是第2物质的示例。另外，气体g1是第1气体的示例。
[0019]
反应器11例如从d2供给部1导入d2气体，从d2o供给部2导入d2o气体，使用这些d2气体及d2o气体对衬底w进行处理。此外，关于从d2供给部1以外导入的d2气体及从d2o供给部2以外导入的d2o气体，将在下文中叙述。
[0020]
泵12将从反应器11排出的气体g1经由阀22输送到流路p1或流路p2。阀22例如为三向阀，能够使阀22与流路p1、p2中的任一流路连通。因此，阀22能够使气体g1的排出目的地在流路p1与流路p2之间进行切换。
[0021]
净化器13将从阀22流入的气体g1净化。本实施方式的净化器13在利用其它气体将气体g1稀释之后，通过燃烧使气体g1内的d2气体变为d2o气体，由此将气体g1净化。由此，能够防止废弃后的气体g1燃烧。用于稀释的气体例如为n2气体(氮气)或h2o气体(水气(水蒸气))。经净化器13净化后的气体g1作为排气(drain)从净化器13排出。这样一来，将气体g1废弃。
[0022]
d2o生成器14使从阀22流入的气体g1内的d2气体与从o2供给部3导入的o2气体(氧气)发生反应。结果，由d2气体及o2气体生成d2o气体。d2o生成器14可以利用o2气体使d2气体燃烧而生成d2o气体，也可以通过d2气体与o2气体的催化反应而生成d2o气体。
[0023]
d2o冷凝器15使从d2o生成器14排出的d2o气体冷凝，也就是说，使d2o从气体(gas)变为液体。由此，能够生成纯度较高的d2o液体。
[0024]
d2o罐16收容从d2o冷凝器15排出的d2o液体。这样一来，气体g1以d2o液体的形式被回收到d2o罐16内用于再循环。如下所述，d2o罐16内的d2o液体在反应器11内作为d2o气体被再利用。此外，d2o罐16内的d2o液体也可以不以这样的形式再循环，取而代之，通过用作用来生成d2气体的原材料而再循环。本实施方式的d2o罐16具备测量d2o罐16内的d2o液体的液位的液位计21。由此，能够通过液位来测量d2o罐16内的d2o液体的量。
[0025]
此外，d2o罐16也可以不通过收容从d2o冷凝器15排出的d2o液体来回收d2o，取而代之，通过使从d2o生成器14排出的d2o气体混入到d2o罐16内的d2o液体内来回收d2o。
[0026]
d2o气化器17使从d2o罐16排出的d2o液体气化，也就是说，使d2o从液体变为气体。由此，能够生成纯度较高的d2o气体。从d2供给部4导入到d2o罐16中的d2气体也进而流入到
d2o气化器17中。本实施方式的d2o气化器17将包含这些d2o气体及d2气体的“气体g2”排出。d2气体用作输送d2o气体的载体。气体g2经由流路p2向反应器11供给，在反应器11内作为d2o气体及d2气体使用。气体g2是第2气体的示例。
[0027]
控制部23对图1的半导体制造装置的各种动作进行控制。本实施方式的控制部23从液位计21接收d2o罐16内的液位的测量数据，并基于所接收到的测量数据对阀22进行控制。例如，在d2o罐16内的液位高于阈值的情况下，由于在d2o罐16内收容着足够量的d2o液体，所以可使阀22与流路p1连通，将气体g1废弃。另一方面，在d2o罐16内的液位低于阈值的情况下，由于d2o罐16内的d2o液体不足，所以可使阀22与流路p2连通，将气体g1回收。关于控制部23的进一步的详细情况，将在下文中叙述。
[0028]
如以上所述，本实施方式的半导体制造装置能够将从反应器11排出的气体g1回收用于再循环。因此，根据本实施方式，能够抑制将气体g1内的d2气体无端废弃。由此，能够减少d2气体的使用量，从而能够降低半导体制造装置的运转成本。一般来说，d2气体价格高昂，所以根据本实施方式，能够大幅度降低半导体制造装置的运转成本。
[0029]
另外，本实施方式的半导体制造装置在d2o罐16的后段具备d2o气化器17，将蓄积在d2o罐16内的d2o液体经由d2o气化器17自动地供给到反应器11。如果在d2o罐16的后段不存在d2o气化器17，那么d2o罐16内的d2o液体将会频繁地满杯，每当满杯都需要更换d2o罐16。根据本实施方式，通过d2o气化器17使用蓄积在d2o罐16内的d2o液体，d2o罐16内的d2o液体不易满杯，能够降低d2o罐16的更换频度。
[0030]
本实施方式的反应器11是使用d2气体与d2o气体对衬底w进行退火的退火炉。在对衬底w进行退火时，这些气体几乎不被消耗的情况较多，在该情况下，有可能这些气体会被大量地浪费。进而，多数情况下衬底w的退火要历经长时间进行，所以这也会使这些气体的使用量增大。根据本实施方式，能够大幅度降低这样的退火炉的运转成本。一般来说，退火炉将排出气体排出的机构多数情况下比较简单，所以在反应器11为退火炉的情况下，容易在反应器11的后段设置回收系统的情况较多。此外，本实施方式的回收系统可应用于退火炉以外的反应器11，也可以应用于用来对衬底w进行处理的反应器11以外的设备。
[0031]
本实施方式的反应器11也可以使用d2气体及d2o气体以外的气体对衬底w进行处理。例如，本实施方式的反应器11也可以使用h2气体(氢气)与h2o气体对衬底w进行处理。在该情况下，净化器13使h2燃烧，d2o生成器14、d2o冷凝器15、d2o罐16、及d2o气化器17对h2及h2o进行处理。
[0032]
本实施方式的半导体制造装置也可以不具备d2供给部1、4这两个d2供给部，取而代之，仅具备d2供给部1、4中的其中一个。例如，在能够仅利用d2供给部4充分地供给反应器11所要使用的d2气体的情况下，也可以不设置d2供给部1。另外，在能够仅利用d2o罐16充分地供给反应器11所要使用的d2o气体的情况下，也可以不设置d2o供给部2。
[0033]
另外，本实施方式的半导体制造装置能以具备d2o生成器14、d2o冷凝器15、d2o罐16、及d2o气化器17全部这些机构的形式由制造者销售给购买者，也能以不具备d2o生成器14、d2o冷凝器15、d2o罐16、及d2o气化器17中的至少任一个的形式由制造者销售给购买者。例如，d2o罐16可作为半导体制造装置的可选品由制造者销售给购买者，也可以由购买者自己准备。这对于d2o生成器14、d2o冷凝器15、及d2o气化器17也同样如此。
[0034]
图2是示意性地表示第1实施方式的d2o生成器14的构成例的剖视图。
[0035]
图2所示的d2o生成器14具备反应炉14a及反应炉14a内的pt(铂)催化剂14b。在反应炉14a内，从阀22流入的气体g1内的d2气体、与从o2供给部3导入的o2气体以箭头a1、a2、a3所示的形态发生反应。箭头a1～a3表示了d2气体与o2气体在pt催化剂14b的作用下进行的催化反应的流程。反应炉14a将通过该催化反应而生成的d2o气体排出到d2o冷凝器15。
[0036]
图3是表示第1实施方式的反应器11的动作例的流程图。
[0037]
首先，将衬底w搬入反应器11内之后，在反应器11内进行h2冲洗(步骤s1)。接着，将供给到反应器11内的气体从h2气体切换为d2气体(步骤s2)。接着，使反应器11内升温(步骤s3)，向反应器11内供给o2气体及d2o气体(步骤s4)。结果，使衬底w退火，衬底w内的物质被d2气体及d2o气体氧化(步骤s5)。接着，停止向反应器11内供给o2气体及d2o气体(步骤s6)，使反应器11内降温(步骤s7)。接着，将供给到反应器11内的气体从d2气体切换为h2气体(步骤s8)。接着，在反应器11内进行h2冲洗之后，将衬底w从反应器11搬出(步骤s9)。
[0038]
图3中，在步骤s1、s2、s8、s9中将从反应器11排出的气体g1废弃，在步骤s3～s7中将从反应器11排出的气体g1回收。具体来说，在进行步骤s1、s2、s8、s9时，使阀22与流路p1连通，在进行步骤s3～s7时，使阀22与流路p2连通。此时，阀22的开闭由控制部23来控制。
[0039]
在步骤s3～s7中，气体g1存在包含d2气体但不包含d2o气体的情况、及包含d2气体及d2o气体的情况。在后者的情况下，气体g1内的d2气体在d2o生成器14内变为d2o气体，气体g1内的d2o气体通过d2o生成器14。这些d2o气体均在d2o冷凝器15内冷凝。
[0040]
在步骤s3～s7中，控制部23可使阀22与流路p2持续连通，也可以使阀22的连通目的地在流路p1、p2之间进行切换。例如，在d2o罐16内的液位高于阈值的情况下，由于d2o罐16内收容着足够量的d2o液体，所以可使阀22与流路p1连通，将气体g1废弃。另一方面，在d2o罐16内的液位低于阈值的情况下，由于d2o罐16内的d2o液体不足，所以可使阀22与流路p2连通，将气体g1回收。
[0041]
图4及图5是表示第1实施方式的衬底w的示例的剖视图。
[0042]
图4表示了使用d2气体与d2o气体对反应器11内的衬底w进行处理的情况。图4所示的衬底w例如用来制造三维存储器作为半导体装置。图4表示了相互垂直的x方向、y方向、及z方向。在该说明书中，将+z方向视为上方向，将-z方向视为下方向。
[0043]
图4所示的衬底w具备半导体衬底31、绝缘膜32、源极层33、绝缘膜34、栅极层35、绝缘膜36、积层膜37、及柱状部38。半导体衬底31例如为si(硅)衬底。绝缘膜32、源极层33、绝缘膜34、栅极层35、绝缘膜36、及积层膜37依次设置在半导体衬底31上。柱状部38设置在源极层33、绝缘膜34、栅极层35、绝缘膜36、及积层膜37内。
[0044]
源极层33包含依次设置在绝缘膜32上的金属层41、下部半导体层42、中间半导体层43、及上部半导体层44。积层膜37包含交替地设置在绝缘膜36上的多个牺牲层45及多个绝缘层46。柱状部38包含依次设置在源极层33、绝缘膜34、栅极层35、绝缘膜36、及积层膜37内的阻挡绝缘膜51、电荷蓄积层52、隧道绝缘膜53、通道半导体层54、及核心绝缘膜55。通道半导体层54如图4所示与中间半导体层43相接。
[0045]
图4所示的衬底w还在源极层33、绝缘膜34、栅极层35、绝缘膜36、及积层膜37内具备狭缝st。d2气体经由狭缝st及积层膜37进入到柱状部38内。结果，d原子被导入到柱状部38内。另一方面，d2o气体将中间半导体层43、上部半导体层44、栅极层35等的表面氧化。结果，在这些层的表面形成氧化膜。此外，d2o气体也可以将这些层的表面氧化并且与d2气体同
样地进入到柱状部38内，或者不将这些层的表面氧化，取而代之，与d2气体同样地进入到柱状部38内。
[0046]
图5表示了使用d2气体与d2o气体处理之后的衬底w。图5表示了通过氧化形成在中间半导体层43、上部半导体层44、栅极层35内的氧化膜43a、44a、35a。在本实施方式中，之后将衬底w从反应器11中搬出，将牺牲层45替换为阻挡绝缘膜47及电极层48，利用绝缘膜39嵌埋狭缝st(图5)。这样一来，从衬底w制造出半导体装置。
[0047]
如以上所述，本实施方式的半导体制造装置具备回收系统，该回收系统回收从反应器11排出的气体g1用于再循环。因此，根据本实施方式，能够抑制将从反应器11排出的气体g1无端废弃。
[0048]
(第2实施方式)
[0049]
图6是示意性地表示第2实施方式的半导体制造装置的构成的立体图。
[0050]
图6的半导体制造装置具有将图1的半导体制造装置的d2o冷凝器15、d2o罐16、d2o气化器17、液位计21、及d2供给部4置换为储气罐18、压力计24、及d2供给部5的构成。储气罐18是收容部的示例，压力计24是测量部的示例。另外，流路p2、储气罐18、及d2o生成器14是回收部的示例。
[0051]
储气罐18收容从阀22流入的气体g1。这样一来，将气体g1回收到储气罐18内用于再循环。如下所述，储气罐18内的气体g1在反应器11内作为d2o气体被再利用。此外，储气罐18内的气体g1也可以不以这样的形式再循环，取而代之，通过用作用来生成d2气体的原材料而再循环。储气罐18进而在储气罐18内的气体不足时等，能够从d2供给部5导入d2气体。本实施方式的储气罐18具备测量储气罐18内的气体的压力的压力计24。由此，能够通过压力来测量储气罐18内的气体量。
[0052]
本实施方式的d2o生成器14使从储气罐18排出的气体内的d2气体与从o2供给部3导入的o2气体发生反应。结果，由d2气体及o2气体生成d2o气体。本实施方式的d2o生成器14可利用o2气体使d2气体燃烧而生成d2o气体，也可以如图2所示那样通过d2气体与o2气体的催化反应而生成d2o气体。
[0053]
从储气罐18排出的气体可包含来自气体g1的d2气体，也可以包含来自d2供给部4的d2气体。这些d2气体在d2o生成器14内变为d2o气体。另外，从储气罐18排出的气体也可以包含来自气体g1的d2o气体。本实施方式的d2o生成器14将包含这些d2o气体的“气体g2”排出。该气体g2经由流路p2向反应器11供给，在反应器11内作为d2o气体使用。
[0054]
控制部23对图6的半导体制造装置的各种动作进行控制。本实施方式的控制部23从压力计24接收储气罐18内的压力的测量数据，并基于所接收到的测量数据对阀22进行控制。例如，在储气罐18内的压力高于阈值的情况下，由于在储气罐18内收容着足够量的气体，所以可使阀22与流路p1连通，将气体g1废弃。另一方面，在储气罐18内的压力低于阈值的情况下，由于储气罐18内的气体不足，所以可使阀22与流路p2连通，将气体g1回收。
[0055]
如以上所述，本实施方式的半导体制造装置能够将从反应器11排出的气体g1回收用于再循环。因此，根据本实施方式，与第1实施方式同样地，能够抑制将气体g1内的d2气体无端废弃。
[0056]
另外，本实施方式的半导体制造装置在储气罐18的后段具备d2o生成器14，将蓄积在储气罐18内的气体经由d2o生成器14自动地供给到反应器11。如果在储气罐18的后段不
存在d2o生成器14，那么储气罐18内的气体将会频繁地达到高压，每当达到高压时都需要更换储气罐18。根据本实施方式，通过由d2o生成器14使用蓄积在储气罐18内的气体，储气罐18内的气体不易达到高压，能够降低储气罐18的更换频度。
[0057]
本实施方式的反应器11也可以使用d2气体及d2o气体以外的气体对衬底w进行处理。例如，本实施方式的反应器11也可以使用h2气体与h2o气体对衬底w进行处理。在该情况下，净化器13使h2燃烧，储气罐18及d2o生成器14对h2及h2o进行处理。
[0058]
本实施方式的半导体制造装置也可以不具备d2供给部1、5这两个d2供给部，取而代之，仅具备d2供给部1、5中的其中一个。例如，在能够仅利用d2供给部5充分地供给反应器11所要使用的d2气体的情况下，也可以不设置d2供给部1。另外，在能够仅利用储气罐18及d2o生成器14充分地供给反应器11所要使用的d2o气体的情况下，也可以不设置d2o供给部2。
[0059]
另外，本实施方式的半导体制造装置能以具备储气罐18及d2o生成器14这两个部件的形式由制造者销售给购买者，也能以不具备储气罐18及d2o生成器14中的至少一个的形式由制造者销售给购买者。例如，储气罐18可作为半导体制造装置的可选品由制造者销售给购买者，也可以由购买者自己准备。这对于d2o生成器14也同样如此。
[0060]
如以上所述，本实施方式的半导体制造装置具备回收系统，该回收系统将从反应器11排出的气体g1回收用于再循环。因此，根据本实施方式，与第1实施方式同样地，能够抑制将从反应器11排出的气体g1无端废弃。
[0061]
此外，与第1实施方式的回收系统相比，本实施方式的回收系统例如具有构成简单的优点。另一方面，与本实施方式的回收系统相比，第1实施方式的回收系统例如具有能够生成纯度较高的d2o气体的优点。此外，第1实施方式中所说明的图3、图4、及图5的内容也能够应用于本实施方式。
[0062]
以上，对几个实施方式进行了说明，但这些实施方式仅作为示例而提出，并非旨在限定发明的范围。本说明书中所说明的新颖的装置及方法能以其它各种方式实施。另外，在不脱离发明主旨的范围内，能够对本说明书中所说明的装置及方法的方式进行各种省略、置换、变更。随附的权利要求书及与其均等的范围欲包含发明的范围或主旨中所包含的这种方式或变化例。
[0063]
[符号的说明]
[0064]
1:d2供给部
[0065]
2:d2o供给部
[0066]
3:o2供给部
[0067]
4:d2供给部
[0068]
5:d2供给部
[0069]
11:反应器
[0070]
12:泵
[0071]
13:净化器
[0072]
14:d2o生成器
[0073]
14a:反应炉
[0074]
14b:pt催化剂
[0075]
15:d2o冷凝器
[0076]
16:d2o罐
[0077]
17:d2o气化器
[0078]
18:储气罐
[0079]
21:液位计
[0080]
22:阀
[0081]
23:控制部
[0082]
24:压力计
[0083]
31:半导体衬底
[0084]
32:绝缘膜
[0085]
33:源极层
[0086]
34:绝缘膜
[0087]
35:栅极层
[0088]
35a:氧化膜
[0089]
36:绝缘膜
[0090]
37:积层膜
[0091]
38:柱状部
[0092]
39:绝缘膜
[0093]
41:金属层
[0094]
42:下部半导体层
[0095]
43:中间半导体层
[0096]
43a:氧化膜
[0097]
44:上部半导体层
[0098]
44a:氧化膜
[0099]
45:牺牲层
[0100]
46:绝缘层
[0101]
47:阻挡绝缘膜
[0102]
48:电极层
[0103]
51:阻挡绝缘膜
[0104]
52:电荷蓄积层
[0105]
53:隧道绝缘膜
[0106]
54:通道半导体层
[0107]
55:核心绝缘膜。