JP2000208503A - 縦型熱処理装置 - Google Patents
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Abstract
熱処理装置において、バッチ内の酸化膜の膜厚均一性、
歩留まり、およびロス時間の向上を図る。 【解決手段】 複数の半導体ウェハを反応管内部に配置
し、前記反応管内部に所定のガスを導入して前記半導体
ウェハ表面に所望の膜厚を有する酸化膜を高温加熱によ
って形成する縦型熱処理装置において、反応管は傾斜し
て設けられ少なくともその一部がレーザ光の透過材料か
らなり、反応管内部に上下に間隙をおいて配置される各
半導体ウェハの端部が真上から見て重ならないずれ部分
を設け、これらのずれ部分上の膜厚を光学的に検出する
ために設けた複数の膜厚検出手段により測定したデータ
に基づいて反応管内の温度制御およびガス流量制御をす
るものである。
Description
ウエハ表面に酸化膜を形成する縦型熱処理装置に関し、
特に複数の半導体ウエハ表面の酸化膜厚を検出できる縦
型熱処理装置に関するものである。
る熱処理装置は、反応管及びヒータを横に設置した横型
熱処理装置が用いられていたが、現在では外気の混入が
少なく、膜厚及び膜質均一性が横型に比べ良い等の理由
から、反応管及びヒータを縦に配置した縦型熱処理装置
が使用されている。熱処理装置は素子分離のためのフィ
ールド酸化膜の形成やゲート酸化膜の形成等に使用され
るが、半導体装置の微細化及び高集積化に伴い、形成す
る酸化膜の膜厚の厳密な制御が求められている。
の構成を示す側断面図である。
02は反応管、103はガス供給管、104はヒータ、
105は半導体ウェハ1を装填する石英ボートで、50
枚〜100枚の半導体ウェハを1組(以下バッチと称す)
として装填されている。
いて半導体ウェハ表面に酸化膜を形成する方法を説明す
る。
00℃に高温加熱された反応管102内部に、半導体ウ
ェハ101を装填した石英ボート105を挿入する。次
に、酸素や水蒸気等所望のガスを加熱された反応管10
2内部にガス供給管103より所定流量導入すると、半
導体ウェハ101表面と導入されたガスとが反応し半導
体ウェハ101表面に所望の酸化膜が形成される。この
とき、半導体ウェハ101表面に形成された酸化膜が所
望の膜厚を有することを確認するためには、半導体ウェ
ハ101が装填された石英ボート5を反応管102から
取り出し、膜厚測定器を用いて測定する。
用いて半導体ウェハ101表面に所望の膜厚を有する酸
化膜を形成するためには、予め反応管102内部におけ
る半導体ウェハ101と導入するガスとの、酸化膜の形
成速度と膜厚との関係を明らかにしておく所謂条件出し
が必要である。しかしながら、従来の縦型熱処理装置は
装置の個体差、環境の変動等により反応管102内部に
導入する反応ガスの流量や反応管102内部の温度が微
妙に変動するため、条件出しに基づいて設定した処理時
間で所望の膜厚を得ることは難しい。このため、バッチ
内の半導体ウェハ101の膜厚均一性は一定しない。
い半導体ウェハ101は所定の膜厚になるまで再度熱処
理を行う。一方、膜厚が厚すぎる等規格外の膜厚を有す
る半導体ウェハは廃棄処分がとられる。所望の膜厚に達
していない半導体ウェハを再度熱酸化して所望の酸化膜
の膜厚を形成する場合はその分工程が増加するので時間
のロスや、製造コストが上昇する。また、規格外の膜厚
になった場合はコストの増加及び半導体装置の歩留りが
低下する。
特開平3−82017号公報では、反応管内部に挿入さ
れた半導体ウェハ上に形成される膜の厚さを経時的に測
定し、この測定結果を反応管の温度及び導入するガス流
量に帰還させて制御し、バッチ内における半導体ウェハ
の膜厚均一性を向上させる熱処理装置が提案されてい
る。
を参照して説明する。
型減圧気相成長装置の構成を示すブロック図である。
反応管201を加熱するハロゲンランプ、203は石英
ボート、204は半導体ウェハ、205はガス導入口、
206は排気口である。216はレーザ光源207と偏
光子208と補正板209とから構成されるレーザ光発
射部、217は検光子210と光検出器211とから構
成されるレーザ光検出部である。レーザ光発射部216
及びレーザ光検出部217は反応管201外部に一対に
なるように配置されている。また、212は光検出器2
11からの出力データを処理するデータ処理部、213
は中央制御部、214はハロゲンランプ202の温度制
御部、215はガス導入口205のガス流量制御部であ
る。
た膜の形成方法は、まず、反応管201をハロゲンラン
プ202により100℃〜1000℃の高温に予め加熱
しておく。次に半導体ウェハ204を50〜100枚を
一組として石英ボート203に立てて装填し、反応管2
01内部に挿入する。
いないメカニカルブースターポンプ及びロータリーポン
プにより0.003Torrまで排気した後、ガス導入
口205から反応ガスを反応管201内部に導入する。
すると、反応ガスは熱分解或いは他の導入ガスと化学反
応を起こし半導体ウェハ204上に所望の膜が堆積す
る。
ザ光発射部216から楕円偏光したレーザ光を半導体ウ
ェハ204表面に入射させる。半導体ウェハ204表面
に入射したレーザ光は反射し、この反射したレーザ光を
光検出部217において検出する。
電気信号に変換され、変換された電気信号はデータ処理
部212において反射光の位相、振幅等が計算される。
更にさらに、半導体ウェハ204表面に照射した入射光
と反射光とを比較して半導体ウェハ204に堆積した膜
の屈折率及び膜厚が計算される。計算された屈折率及び
膜厚のデータは中央制御部213に送られる。
より送られたデータに基づき、半導体ウェハ204上に
堆積する膜の屈折率、堆積速度、膜厚等が当初設定した
数値になるようにシリコン制御整流器を用いた温度制御
部214を制御して反応管201内部の温度を調節し、
また、エアーフローコントローラを用いたガス流量制御
部215を制御して反応ガスの流量を調節する。
明する。図6(A)は第3従来例である横型減圧気相成長
装置の構成を示す模式図、(B)A部拡大図である。
相成長装置に対し反応管210の内部に半導体ウェハ2
04を横に寝かせた状態で挿入し、所望の膜を堆積する
ものである。ポリシリコンCVDのように反応管201
の最後部の温度を最前部や中央部より5℃〜15℃高く
して堆積速度を速め反応ガスであるシランの欠乏の補償
をする場合に発生する半導体ウェハ204の面内均一性
の低下を抑えるもので、反応管201内部の位置によっ
て堆積する膜の膜質及び半導体ウェハ204の面内ばら
つきを抑えることができる。
1内部の熱の均一性を高めるために、半導体ウェハ20
4の上下にSiCコート金属板218を配置し、また水
冷銅ブロック219を配置して膜厚の測定のため半導体
ウェハ204表面に照射するレーザー光の通る反応管2
01の部分の膜の堆積を防止している。
2017号公報により提案されている熱処理装置は横型
の減圧気相成長装置の例であり、また、反応管内部に挿
入されている複数枚の半導体ウェハのうち、石英ボート
の最も外側(図5で示した反応管201の左側)に装填
された半導体ウェハの表面に堆積する膜の膜厚を測定
し、このデータを帰還させてバッチ全体の膜厚を制御す
るものである。しかしながら、上述した方法は、石英ボ
ートの最も外側に装填された半導体ウェハ1枚のみの膜
厚データを測定しこのデータを帰還させてバッチ全体の
半導体ウェハの膜厚を制御していることになる。反応管
中央部及び反応管右側(図5に示した反応管の右側)に
位置する半導体ウェハに堆積する膜の膜厚は考慮されて
いない。これは、半導体ウェハを石英ボートに複数枚を
垂直に立てた状態で装填するため隣り合う半導体ウェハ
の間隔が狭く、バッチ内の任意の半導体ウェハ表面にレ
ーザ光を照射し反射したレーザ光を受光するための領域
を確保できないからである。
の環境により必ずしも一定ではなく、また装置の個体差
等により導入するガス流量もばらつきがあるので、反応
管内部の位置によっては半導体ウェハ表面に堆積する膜
の膜厚に違いが生じる。したがって、反応管内部の複数
個所、例えば図5で示した反応管の左側、中央部、及び
右側に位置する半導体ウェハの膜厚を測定し、これら複
数のデータを帰還させて膜厚を制御する方法を用いれば
バッチ全体の膜厚均一性をより正確に制御することがで
きる。しかしながら、上述した横型減圧気相成長装置
は、反応管内部の複数箇所で膜厚を測定することができ
ず、バッチ全体の膜厚均一性の向上を図ることは困難で
ある。
点に鑑み、バッチ内の膜厚均一性を向上させ、再熱酸化
処理に伴う工程増加による時間のロスやコスト増加を払
拭し、半導体装置の歩留りを向上することができる縦型
熱処理装置を提供することを目的とする。
を解決するために、複数の半導体ウェハを反応管内部に
配置し、前記反応管内部に所定のガスを導入して前記半
導体ウェハ表面に所望の膜厚を有する酸化膜を高温加熱
によって形成する縦型熱処理装置において、反応管は傾
斜して設けられ少なくともその一部がレーザ光の透過材
料からなり、反応管内部に上下に間隙をおいて配置され
る各半導体ウェハの端部が真上から見て重ならないずれ
部分を設け、これらのずれ部分上の膜厚を光学的に検出
するために設けた複数の膜厚検出手段により測定したデ
ータに基づいて反応管内の温度制御およびガス流量制御
をするものである。
70°傾斜して設けられ、上下に隣り合う半導体ウェハ
同士は3mm〜15mmのずれ部分を有するものであ
る。
面に形成された酸化膜のうち、ずれ部分上にレーザ光を
照射するレーザ光照射用光ファイバと、ずれ部分より反
射した前記レーザ光を受光するレーザ光受光用光ファイ
バとを有し、反応管の上中下などの複数個所に設置され
る。
〜70°の範囲で水平方向に傾斜しており、この傾斜に
対応して上下に隣り合う半導体ウェハの表面が3mm〜
15mm露出するのでバッチ内の任意の半導体ウェハに
形成される酸化膜の膜厚を容易に測定することができ
る。これにより、バッチ内における酸化膜の膜厚均一性
を向上することができる。
図面を参照して詳細に説明する。
装置の側断面を示す模式図、図2は図1に示した縦型熱
処理装置のA部分の拡大模式図である。
ーザ光を透過する材料から成る反応管で、傾斜して設け
られている。3は反応管2に酸素や水蒸気等所望のガス
を導入するガス供給管、4は反応管2内部を所望の温度
に加熱するヒータで、各々独立して温度制御ができるよ
うになっている。5は反応管内に半導体ウェハ1を上下
に多数、間隙をおいて装填するための石英ボートであ
る。石英ボートが半導体ウェハを上下に多数、間隙をお
いて装填することについては周知の事柄であるのでその
説明は省略する。
は反応管内部に上下に間隙をおいて配置され、それぞれ
の半導体ウェハの端部が真上から見て重ならないずれ部
分8を有する。6はレーザ光を半導体ウェハ1表面(ず
れ部分8)に照射するための照射用光ファイバ、7は半
導体ウェハ1表面に照射され反射したレーザ光を受光す
るための受光用光ファイバで、照射用光ファイバ6と対
を成して配置されている。
反応管2は、30°〜70°の範囲で水平方向に傾ける
ことにある。反応管2を30°〜70℃の範囲で水平方
向に傾けると、反応管2内部に挿入されている石英ボー
ト5に装填されている半導体ウェハ1は、図2に示すよ
うに、或る半導体ウェハ1の上端には隣りの半導体ウェ
ハ1の表面(酸化膜を形成する面)が3mm〜15mm
にわたり露出してずれ状態を生じる。
より、両端以外の任意の半導体ウェハの露出したずれ部
分に照射用光ファイバ6からのレーザ光を照射し、また
その反射光を受光することができるので、その部分から
形成された膜厚が容易に検出できるようになる。
について説明する。
含む縦型熱処理装置の構成を示すブロック図である。
はデータ処理部、10は中央制御部、11は温度制御
部、12はガス流量制御部である。
び下部の3個所に設置したヒータ4を加熱し、反応管2
内部の温度を800℃〜1000℃の高温に予め加熱し
ておく。次に、100〜200枚を1組として半導体ウ
ェハ1を石英ボート5に立てた状態で装填し、その後石
英ボート5を反応管2内部に挿入する。前述したように
反応管2は30°〜70°の範囲をもって傾く機構を備
えているので、石英ボート5に装填された半導体ウェハ
1は、図2に示すように、或る半導体ウェハ1の上部に
は隣の半導体ウェハ1の表面が3mm〜15mm露出し
た状態でセットされる。
水蒸気等のガスを反応管2内部に導入すると、半導体ウ
ェハ1表面と導入されたガスとが反応し、半導体ウェハ
1表面に酸化膜が形成される。このとき、半導体ウェハ
1表面には反応管2内部の上部、中央部、及び下部に設
置した照射用光ファイバ6からレーザ光が入射され、反
射したレーザ光を受光用光ファイバ7にて受光する。受
光用光ファイバ7にて受光した反射レーザ光は検出ユニ
ット13に送られ、データ処理部14において3枚の半
導体ウェハ1上に形成されている酸化膜の膜厚が計算さ
れる。データ処理部14で計算された酸化膜の膜厚は、
さらに中央制御部10へ送られる。
送られた3個所の酸化膜の膜厚のデータに基づき温度制
御部11を制御して反応管2外周部の上部、中央部、及
び下部に配置されたヒータ4により反応管2内部の温度
を調整する。さらに、データ処理部14から送られた酸
化膜の膜厚のデータに基づき、ガス流量制御部12を制
御してガス導入管3から導入するガス流量を調節する。
化膜の膜厚が所望の膜厚に達した場合、中央制御部10
は半導体ウェハ1上の酸化膜をこれ以上形成させないた
めにガス導入管3により導入する反応ガスの供給を停止
する。また、反応管2内部の下部に位置した半導体ウェ
ハ1上に形成された酸化膜の膜厚が、反応管2内部の上
部及び中央部に位置する半導体ウェハ1上に形成された
酸化膜の膜厚に比べ薄い場合、中央制御部10は、反応
管2外周部の下部に配置されているヒータ4のパワーを
上げる命令を温度制御部11に送る。すると、反応管2
内部の下部の温度が上昇して酸化速度が速まり、反応管
2の下部に位置する半導体ウェハ1の酸化膜の膜厚を反
応管2の上部及び中央部に位置する半導体ウェハ1の酸
化膜の膜厚と同じにすることができる。
6及び受光用光ファイバ7を反応管2内部の上部、中央
部、及び下部の3個所に設置し、バッチ内のうち3枚の
半導体ウェハ1の膜厚を測定する例を説明したが、照射
用光ファイバ6及び受光用光ファイバ7を反応管2内部
の複数個所に設置すれば、複数枚の半導体ウェハ1の膜
厚を測定することができるので、バッチ内の膜厚をより
厳密に制御することができる。さらに、照射用光ファイ
バ6及び受光用光ファイバ7を複数個所設置するに伴
い、温度制御部11、ガス流量制御部12を反応管2外
周部に複数個所設置することにより、反応管2内部の温
度を狭い領域で制御することができ、また反応管2内部
に導入するガス流量を反応管2の狭い領域で制御するこ
とができる。これにより、バッチ内の半導体ウェハに形
成される酸化膜の膜厚をより厳密に制御することができ
る。
バ6及び受光用光ファイバ7を反応管2内部に固定する
ことなく、これを半導体ウェハ1を装填する石英ボート
5に予め設置し、石英ボート5を反応管2内部に挿入す
ると供に照射用光ファイバ6及び受光用光ファイバ7が
反応管2内部に設置される構造を用いてもよい。
理装置は、反応管内部の複数個所に膜厚測定器を設置
し、バッチ内の複数枚の半導体ウェハ表面に形成される
酸化膜の膜厚を経時的に測定し測定結果を温度制御部及
びガス流量制御部に帰還させて酸化膜の膜厚を経時的に
制御することにより、バッチ内の酸化膜の膜厚均一性を
向上させることができる。これにより、再熱処理に伴う
工程増加による時間のロスやコスト増が払拭される。さ
らに半導体装置の歩留りを向上することができる効果を
奏するものである。
面を示す模式図
式図
処理装置の構成を示すブロック図
す模式図
成長装置の構成を示すブロック図
構成を示す模式図、(B)A部拡大図
Claims (6)
- 【請求項1】 複数の半導体ウェハを反応管内部に配置
し、前記反応管内部に所定のガスを導入して前記半導体
ウェハ表面に所望の膜厚を有する酸化膜を高温加熱によ
って形成するための縦型熱処理装置において、 反応管は傾斜して設けられ少なくともその一部がレーザ
光の透過材料からなり、複数の半導体ウェハは反応管内
部に上下に間隙をおいて配置され、それぞれの半導体ウ
ェハの端部が真上から見て重ならないずれ部分を有する
ことを特徴とする縦型熱処理装置。 - 【請求項2】 複数の半導体ウェハを反応管内部に配置
し、前記反応管内部に所定のガスを導入して前記半導体
ウェハ表面に所望の膜厚を有する酸化膜を高温加熱によ
って形成するための縦型熱処理装置において、 反応管は傾斜して設けられ少なくともその一部がレーザ
光の透過材料からなり、複数の半導体ウェハは反応管内
部に上下に間隙をおいて配置され、それぞれの半導体ウ
ェハの端部が真上から見て重ならないずれ部分を有し、 傾斜して設けた反応管の内部の半導体ウェハの表面に形
成された酸化膜のうち、反応管の各部位でのずれ部分上
の膜厚を検出する複数の膜厚検出手段と、 前記膜厚測定手段により測定された前記酸化膜の膜厚デ
ータに基づき、前記反応管の外周に複数設けられたヒー
タにより前記反応管の内部温度を制御する温度制御手
段、およびガス供給管から導入するガス流量を制御する
ガス流量制御手段を備えることを特徴とする縦型熱処理
装置。 - 【請求項3】 半導体ウェハの表面に形成された酸化膜
のうち、ずれ部分上にレーザ光を照射するレーザ光照射
用光ファイバと、ずれ部分より反射した前記レーザ光を
受光するレーザ光受光用光ファイバとを有する膜厚測定
手段を備えることを特徴とする請求項2記載の縦型熱処
理装置。 - 【請求項4】反応管は水平方向に30°乃至70°傾斜
して設けられ、上下に隣り合う半導体ウェハ同士は3m
m〜15mmのずれ部分を有することを特徴とする請求
項2記載の縦型熱処理装置。 - 【請求項5】前記膜厚測定手段は、前記半導体ウェハを
装填する石英ボートに複数設置可能な手段を備える請求
項2乃至3記載の縦型熱処理装置。 - 【請求項6】 前記温度制御手段は、前記膜厚測定器の
設置数及び設置場所に対応して設けられそれぞれ独立に
制御可能な手段であることを特徴とする請求項2記載の
縦型熱処理装置。
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