JP2002141347A

JP2002141347A - バッチ式熱処理方法とバッチ式熱処理装置

Info

Publication number: JP2002141347A
Application number: JP2000338459A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sakamoto; 浩一坂本; Bunryo O; 文凌王; Fujio Suzuki; 富士雄鈴木; Moyuru Yasuhara; もゆる安原
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2002-05-17
Anticipated expiration: 2020-11-07
Also published as: JP4222461B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ウエハを昇温又は降温しながら熱処理を行う
際に、処理ガスを供給するタイミングを適切に設定す
る。【解決手段】ウエハの温度を上昇又は降下させながら処
理ガスを供給して熱処理を行う。ウエハを昇温しながら
熱処理を実行する場合には、ウエハの周縁部の温度が中
心部の温度よりも所定量だけ大きくなった後に、処理ガ
スを供給するする。一方、ウエハを降温しながら熱処理
を実行する場合には、ウエハの中心部の温度が周縁部の
温度よりも所定量だけ大きくなった後に、処理ガスを供
給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
被処理体を熱処理するバッチ式の熱処理方法と熱処理装
置に関し、特に、被処理体の温度を変化させながら熱処
理を行うバッチ式熱処理方法及び熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハの表面に、酸化膜を形成し
たり、ドーパントの拡散を効率良く行うために、バッチ
式の熱処理装置が使用される。バッチ式の熱処理装置
は、多数の半導体ウエハが載置されたウエハボートを反
応管内にロードし、反応管内を所定の処理温度にまで昇
温した後、処理ガスを導入して熱処理を行い、熱処理
後、ウエハボートを反応管からアンロードする。

【０００３】熱処理装置の反応管内には、温度分布や処
理ガスの濃度分布が必然的に存在し、同一のウエハ上で
も処理条件が異なる場合がある。処理条件が異なると、
形成される膜の厚さが不均一となってしまう。

【０００４】この問題を解決する手法として、半導体ウ
エハを昇温しながら（又は降温しながら）熱処理を行う
方法が提案されている。

【０００５】例えば、ウエハの温度を上昇させながら熱
処理を行う場合には、ウエハの周辺部の温度がウエハの
中心部の温度よりも高い状態で熱処理がなされ、一定温
度で熱処理する場合よりも、ウエハの周辺部の熱処理能
力が向上する。逆に、ウエハの温度を下降させながら熱
処理を行う場合には、ウエハの周辺部の温度がウエハの
中心部の温度よりも低い状態で熱処理がなされ、一定温
度で熱処理する場合よりも、ウエハの中心部での熱処理
能力が向上する。従って、一定温度で熱処理する場合に
発生する膜厚のむらを相殺するような熱処理方法を選択
することにより、比較的均一な厚さの膜を形成すること
ができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の熱処理装置にお
いて、昇温又は降温しながら熱処理を行う場合には、昇
温又は降温を開始するとほぼ同時に処理ガスを供給して
いる。

【０００７】しかし、ウエハの昇温又は降温を開始した
直後は、ウエハの中心と周縁部との温度が所望の関係
（昇温しながら熱処理を行う場合には、周辺部温度＞中
心部温度；降温しながら熱処理を行う場合には、周辺部
温度＜中心部温度）が成立しておらず、場合により、温
度関係が逆の状態で熱処理が行われてしまう。例えば、
ウエハの周縁部に形成される膜が薄くなり易い場合に、
周縁部の膜形成速度を向上するために、見かけ上昇温し
ながら熱処理しているにもかかわらず、実際には、ウエ
ハの周縁部温度が中心部温度より低い状態で熱処理を行
う事態が起こりうる。

【０００８】半導体装置の小型化に伴う絶縁膜等の薄膜
化により、熱処理が比較的短時間で終了する場合が増加
している。例えば、近時では、ＭＯＳＦＥＴのゲート酸
化膜を、数原子層だけ成長させる場合もある。このよう
な場合には、ウエハの昇温又は降温を開始した直後に、
処理ガスを導入すると、所期の温度条件と異なる条件で
熱処理がほぼ完了し、所期の膜厚と異なったり、膜厚が
不均一になってしまう虞がある。

【０００９】このような問題は、成膜処理、拡散処理、
エッチング処理等の熱処理全般について発生する。

【００１０】本発明は、上記実状に鑑みてなされたもの
であり、被処理体の温度を変化させつつ熱処理を施す場
合に、所期の処理結果が得られるバッチ式熱処理方法及
び熱処理装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の第１の観点に係るバッチ式熱処理方法
は、ヒータ部を備える加熱炉内に複数の被処理体を収容
し、ヒータ部を制御して、被処理体の温度を変化させな
がら加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理
を施すバッチ式熱処理方法において、前記加熱炉内の被
処理体上の中心部の温度と周縁部の温度とを測定し、測
定した中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値に達
してから加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に熱
処理を施す、ことを特徴とする。

【００１２】この構成によれば、被処理体の中心部と周
縁部との温度差が所定の値に達してから、処理ガスを供
給しているので、被処理体を昇温又は降温し始めると同
時に処理ガスを供給する場合と比較して、適切に熱処理
を行うことができる。

【００１３】被処理体の温度を上昇させながら、処理ガ
スによる熱処理を施す熱処理方法の場合、例えば、前記
ヒータ部を制御して、加熱炉内の温度を一旦降下した
後、温度を上昇させ、前記温度測定部により測定された
前記被処理体の周縁部の温度と中心部の温度との差が所
定値より大きくなった後に、前記加熱炉内に処理ガスを
供給する。従って、中心部と周縁部との温度関係が適切
な状態で、熱処理を行うことができる。

【００１４】被処理体の温度を降下させながら、処理ガ
スによる熱処理を施す熱処理方法の場合、例えば、前記
ヒータ部を制御して、加熱炉内を一旦上昇した後、温度
を降下させ、前記温度測定部により測定された前記被処
理体の中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値より
大きくなった後に、前記加熱炉内に処理ガスを供給す
る。従って、中心部と周縁部との温度関係が適切な状態
で、熱処理を行うことができる。

【００１５】測定した中心部の温度と周縁部の温度との
差が実質的に一定値に維持されている期間に、加熱炉内
に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施してもよ
い。被処理対の温度を一定時間安定して上昇又は下降す
る場合には、中心部と周縁部の温度差が実質的に一定値
に維持されている期間が発生する。この期間に、加熱炉
内に処理ガスを供給して、被処理体に熱処理を施すこと
により、より適切に熱処理を行うことができる。

【００１６】前記ヒータ部は、例えば、縦方向に分割し
て配置され、独立して制御可能な複数のヒータから構成
される。この場合、前記制御部は、前記加熱炉内の、前
記ヒータにより定義される縦方向に分割された複数のゾ
ーン別に目標温度軌道を記憶し、各ゾーンの目標温度軌
道に従って、前記ヒータを個別に制御することが望まし
い。

【００１７】温度目標軌道は熱処理の目的に応じて任意
に設定される。例えば、前記加熱炉内の複数のゾーンの
所定の第１のゾーンについては、時間の経過に伴って温
度を上昇させる温度目標軌道が、前記第１のゾーンより
も下方に位置する第２のゾーンについては、時間の経過
に伴って温度を下降させる温度目標軌道が、それぞれ予
め記憶され、前記温度目標軌道に従って、前記第１のゾ
ーンについては昇温しながら、第２のゾーンについては
降温しながら、前記加熱炉内に処理ガスを供給する、よ
うに制御することも可能である。或いは、例えば、前記
加熱炉内の複数のゾーンの所定の第１のゾーンについて
は、時間の経過に伴って温度を下降させる温度目標軌道
が、前記第１のゾーンよりも下方に位置する第２のゾー
ンについては、時間の経過に伴って温度を上昇させる温
度目標軌道が、それぞれ予め記憶され、前記温度目標軌
道に従って、前記第１のゾーンについては降温しなが
ら、第２のゾーンについては昇温しながら、前記加熱炉
内に処理ガスを供給するようにしてもよい。

【００１８】被処理体の温度の測定は、例えば、加熱炉
内に収容されている被処理体に設置された温度センサ
や、加熱炉の光透過部を通して前記被処理体の放射温度
を測定する放射温度計等を用いて実施可能である。

【００１９】前記温度の測定は、例えば、前記加熱炉
は、前記被処理体に非接触の状態で設置された複数の温
度センサの出力から、前記加熱炉内の被処理体上の複数
箇所の温度を推定するための数学モデルを予め用意し、
該数学モデルに基づいて、前記温度センサの出力から、
前記被処理体の複数箇所の温度を推定するようにしても
よい。

【００２０】また、この発明の第２の観点に係るバッチ
式熱処理装置は、ヒータ部を備え、内部に被処理体を収
容する加熱炉と、前記加熱炉内に処理ガスを供給するガ
ス供給手段とを備え、被処理体の温度を上昇又は降下さ
せながらガス供給手段から処理ガスを供給して、被処理
体に熱処理を施すバッチ式熱処理装置において、前記加
熱炉内の被処理体上の中心部の温度と周縁部の温度とを
測定する温度測定部と、前記温度測定部により測定され
た中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値に達して
から前記加熱炉内にガス供給手段から処理ガスを供給さ
せる制御部と、を備えることを特徴とする。

【００２１】前記制御部は、前記温度測定部により測定
された中心部の温度と周縁部の温度との差が実質的に一
定の期間に、ガス供給手段を制御して処理ガスを前記加
熱炉内に供給させてもよい。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明のバッチ式熱処理装
置及び熱処理方法の実施の形態を説明する。この熱処理
装置は、図１に示すように、例えば、石英で作られた反
応管２を備え、反応管２の下側には金属性の筒状のマニ
ホールド２１が設けられている。

【００２３】反応管２内には、多数枚、例えば、１５０
枚の被処理体を成すウエハＷ（製品ウエハ）が水平な状
態で、上下に間隔をおいてウエハ保持具であるウエハボ
ート２３に棚状に配置されている。このウエハボート２
３は蓋体２４の上に保温筒（断熱体）２５を介して保持
されている。

【００２４】反応管２の周囲には、例えば、抵抗体より
成るヒータ部３が設けられている。ヒータ部３は、縦方
向に分割されて、５段に配置されたヒータ３１〜３５か
ら構成される。ヒータ３１〜３５には、電力コントロー
ラ３６〜４０より、それぞれ独立して電力が供給され
る。反応管２、マニホールド２１、ヒータ部３により加
熱炉が構成される。ヒータ３１〜３５により、反応管２
内は、図３（ａ）に示すように５つのゾーンに分けられ
ている。

【００２５】また、マニホールド２１には、反応管２内
にガスを供給するガス供給管４１が設けられている。ガ
ス供給管４１には、ガス流量を調整するためのマスフロ
ーコントローラ（ＭＦＣ）等の流量調整部４４を介して
HCl酸化処理用の酸素と塩酸との混合ガスが供給され
る。さらに、マニホールド２１には、排気管２７が接続
されている。排気管２７は、図示しない真空ポンプに接
続されている。排気管２７には、反応管２内の圧力を調
整するための、コンビネーションバルブ、バタフライバ
ルブやバルブ駆動部等を含む圧力調整部２８が設けられ
ている。

【００２６】反応管２の内面には、垂直方向に一列に５
つの熱電対（温度測定部）Ｓin1〜Ｓin5が配置されてい
る。熱電対Ｓin1〜Ｓin5は、半導体ウエハＷの金属汚染
を防止するため、例えば、石英のパイプ等によりカバー
されており、図３（ａ）に示す５つのゾーンにそれぞれ
配置されている。

【００２７】また、反応管２の外面には、垂直方向に一
列に複数の熱電対Ｓout1〜Ｓout5が配置されている。熱
電対Ｓout1〜Ｓout5も、図３（ａ）に示す５つのゾーン
に対応して、それぞれ配置されている。

【００２８】この縦型熱処理装置は、反応管２内の処理
雰囲気の温度、ガス流量、圧力といった処理パラメータ
を制御するための制御部（コントローラ）１００を備え
ている。制御部１００は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5とＳout1
〜Ｓout5の出力信号を取り込み、ヒータ３１〜３５の電
力コントローラ３６〜４０、圧力調整部２８、流量調整
部４４に制御信号を出力する。

【００２９】図２は、制御部１００の構成を示す。図示
するように、制御部１００は、モデル記憶部１１１と，
レシピ記憶部１１２と、ＲＯＭ１１３と、ＲＡＭ１１４
と、Ｉ／Ｏポート１１５と、ＣＰＵ１１６と、これらを
相互に接続するバス１１７とから構成される。

【００３０】モデル記憶部１１１は、熱電対Ｓin1〜Ｓi
n5及びＳout1〜Ｓout5の出力信号（測定温度）及びヒー
タ３１〜３５への供給電力からウエハボート２３に載置
されている各ゾーンのウエハＷの中心部の温度Ｔcと周
縁部の温度Ｔeとを推定（計算）し、さらに、ウエハ温
度を目標値に設定するためにヒータ３１〜３５に供給す
べき電流（電力）を求めるモデル（数学モデル；高次・
多次元関数）を記憶している。

【００３１】レシピ記憶部１１２には、この熱処理装置
で実行される熱処理の種類に応じて、制御手順を定める
レシピが記憶されている。各レシピは温度レシピ（処理
対象たるウエハＷが経るべき温度変化の目標値；温度目
標軌道）を含んでいる。

【００３２】本実施の形態での熱処理であるＨＣｌ酸化
処理は、処理ガスとして酸素と塩酸とを反応管２に導入
し、４ＨＣｌ＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ＋Ｃｌ_２の反応により水
蒸気（Ｈ_２Ｏ）と塩素（Ｃｌ）を生成し、この水蒸気に
よって酸化膜を形成する処理である。酸化の際に、塩酸
が分解されて発生した塩素が触媒のような働きをし、酸
化膜形成を促進させる。ガス供給管４１中では塩酸が完
全に(十分に）分解されず、反応管２の内部に入ってか
ら分解が進む。

【００３３】ウエハボート２３の上端領域では、ウエハ
Ｗの周縁部より中心部の方が処理ガスの滞留時間（到達
時間；ガスが、ガス供給管４１を噴出してからそこに到
達するまでの時間）が長い。従って、ウエハの中心部分
の方が、塩酸が十分に分解されて塩素が生成される。同
様に、水蒸気も、ウエハの中心部分の方が端部よりも多
く生成される。従って、酸化膜としてＣＡＰ型の膜（中
心部が周縁部よりも厚い膜）が形成され易い。一方、ウ
エハボート２３の下端領域では、処理ガスが下端領域に
届くまでに、十分な時間が経過しているので、塩酸は十
分に分解されおり、十分な量の塩素や水蒸気がウエハＷ
の周縁部には供給される。しかし、塩素と水蒸気が、ウ
エハＷの周縁部での酸化反応で消費されるため、ウエハ
Ｗの中央部では、周縁部と比較すると、塩素と水蒸気の
量（密度）が少ない。このため、酸化膜としてＣＵＰ型
の膜（中心部が周縁部よりも薄い膜）になり易い。

【００３４】従って、全ウエハを同一の温度レシピで処
理するとウエハＷ毎及び個々のウエハＷ上の膜厚のばら
つきが発生する。そこで、この実施の形態においては、
ウエハＷ間及びウエハＷ上で膜厚が均一になるように、
図３（ａ）に例示する５つのゾーン別に、図３（ｂ）に
示すように、温度レシピ（温度目標軌道）が用意されて
いる。図３（ｂ）に示すように、ウエハボート２３の上
端領域（第１、第２ゾーン）では、昇温しながら熱処理
するような温度レシピが、ウエハボート２３の下端領域
（第４、第５ゾーン）では、降温しながら熱処理するよ
うな温度レシピが、ウエハボート２３の中段領域（第３
ゾーン）では、ほぼ一定の温度に維持しながら熱処理す
るような温度レシピが設定されている。

【００３５】ウエハボート２３の上端領域で昇温しなが
ら熱処理することにより、ウエハＷの周縁部が中心部よ
りも高温状態で酸化処理が進み、ＣＡＰ型の膜形成が是
正（修正）されて、平坦な酸化膜が形成される。また、
ウエハボート２３の下端領域で、降温しながら熱処理す
ることにより、ウエハＷの周縁部が中心部よりも低温状
態で酸化処理が進み、ＣＵＰ型の膜形成が是正（修正）
されて、平坦な酸化膜が形成される。

【００３６】ＲＯＭ１１３は、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシ
ュメモリ、ハードディスク等から構成され、ＣＰＵ１１
６の動作プログラム等を記憶する記録媒体である。

【００３７】ＲＡＭ１１４は、ＣＰＵ１１６のワークエ
リア等として機能する。Ｉ／Ｏポート１１５は、熱電対
Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5からの測定信号をＣＰ
Ｕ１１６に供給すると共に、ＣＰＵ１１６が出力する制
御信号を各部へ出力する。また、Ｉ／Ｏポート１１５に
は、操作パネル１１８が接続されている。バス１１７
は、各部の間で情報を伝達する。

【００３８】ＣＰＵ１１６は、ＤＳＰ等から構成されて
もよく、ＲＯＭ１１３に記憶された制御プログラムに従
って動作し、操作パネル１１８からの指示に応答し、レ
シピ記憶部１１２に記憶されているレシピに従って、熱
処理装置の動作を制御する。具体的には、ＣＰＵ１１６
は、モデル記憶部１１１に記憶されているモデルを読み
出し、また、レシピ記憶部１１２に記憶されている複数
のレシピの内から該当するものを選択して読み出す。そ
して、レシピに従って処理動作を実行する。特に、この
実施の形態においては、ＣＰＵ１１６は、熱電対Ｓin1
〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5からの測定値及び電力コン
トローラ３６〜４０への指示値（電力コントローラ３６
〜４０がヒータ３１〜３５に供給した電力を示す値）を
取り込んで、ウエハＷの中心部の温度Ｔcと周縁温度Ｔe
とを刻一刻と推定し、中心部の温度Ｔcと周縁部の温度
Ｔeとの平均値Ｔavがレシピに含まれている温度レシピ
が指示する値（セットポイント）に一致するように、電
力コントローラ３６〜４０に、供給電力を指示する。

【００３９】さらに、ＣＰＵ１１６は、ウエハＷの中心
部の温度Ｔcと周縁温度Ｔeとの温度差Ｔdを求め、この
温度差Ｔdに基づいて、処理ガスを供給するタイミング
を制御する。また、ＣＰＵ１１６は、通常の熱処理装置
の制御と同様に、流量調整部４４への指示、圧力調整部
２８への指示等も行う。

【００４０】次に、上記構成のバッチ式熱処理装置によ
る熱処理について説明する。まず、ウエハボート２３
に、製品ウエハ（処理対象のウエハ）Ｗが必要枚数載置
される。ヒータ部３によって反応管２内を約４００゜Ｃ
に設定しておく。次に、被処理体であるウエハＷが所定
枚数、例えば１００枚搭載されたウエハボート２３を、
昇降台２６によって上昇させてウエハＷを反応管２内に
ロードし、マニホールド２１の下端のフランジと蓋体２
４とを気密状態とする。

【００４１】ＣＰＵ１１６は、ウエハボート２３のロー
ドが完了すると、ＲＯＭ１１３から読み出したレシピに
従って、圧力調整部２８を含む排気系を制御して、排気
動作を開始する。

【００４２】一方、ＣＰＵ１１６は、図３（ｂ）に示す
温度レシピに従った動作を開始し、まず、ヒータ部３に
供給する電力を増加させて昇温を開始する。

【００４３】ＣＰＵ１１６は、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及び
Ｓout1〜Ｓout5の出力信号及びヒータ３１〜３５に供給
するパワー（電力）の値を取り込み、ＲＯＭ１１３から
読み出したモデルに従って、上段（ゾーン１）、中上段
（ゾーン２）、中段（ゾーン３）、中下段（ゾーン
４）、下段（ゾーン５）の５つのゾーンに配置されてい
るウエハＷの中心部の温度Ｔcと周縁部の温度Ｔeとを計
算（推定）する。次に、各ゾーンのウエハＷについて、
推定した中心部の温度Ｔcと周縁部の温度Ｔeから、平均
温度Ｔav＝（Ｔc＋Ｔe）／２を求める。

【００４４】ＣＰＵ１１６は、各ゾーンのウエハＷの温
度の平均温度Ｔavが全体として温度目標軌道（図３
（ｂ））が指示している温度の組み合わせに最も近づく
ように、ヒータ３１〜３５に供給する電力を電力コント
ローラ３６〜４０を介して制御する。

【００４５】例えば、５つのゾーンのウエハの温度の平
均値がＴav1、Ｔav2、Ｔav3、Ｔav4、Ｔav5であると計
算され、温度目標軌道が指示する温度がＴt1、Ｔt2、Ｔ
t3、Ｔt4、Ｔt5である場合には、実際の温度と目標温度
との差が全体として最も小さくなるように制御を行う。
例えば、最小２乗法を用いて、（Ｔav1−Ｔt1）^２＋
（Ｔav2−Ｔt2）^２＋（Ｔav3−Ｔt3）^２＋（Ｔav4−Ｔt
4）^２＋（Ｔav5−Ｔt5） ^２が最小に成るように、ヒータ
３１〜３５に供給する電力を個々に制御する。

【００４６】ＣＰＵ１１６は、上述の温度制御を繰り返
し、平均温度Ｔavが、温度目標軌道（図３（ｂ））が示
す値に達すると、昇温処理を一旦終了し、一定温度を維
持するための保温処理に移る。

【００４７】その後、処理をステップＳ２に移し、熱電
対Ｓin1〜Ｓin5及びＳout1〜Ｓout5の出力信号とヒータ
３１〜３５に供給している電力値とを取り込んで、ヒー
タ３１〜３５を制御する動作を繰り返す。

【００４８】昇温が終了すると、ＣＰＵ１１６は、各ゾ
ーンの温度を一定に維持するように温度制御を続ける。

【００４９】ＣＰＵ１１６は、反応管２内の温度が安定
すると、温度レシピに従って、第１、第２ゾーンの温度
を一旦下降させ、第４、第５ゾーンの温度を一旦上昇さ
せる。

【００５０】続いて、第１、第２ゾーンの温度を徐々に
上昇させ、第４、第５ゾーンの温度を徐々に下降させ
る。この際、各ゾーンのウエハＷの中心部の温度Ｔcと
周辺部の温度Ｔeを検出し、第１、第２ゾーンについて
は、ウエハの周縁部の温度Ｔeが中心部の温度Ｔcよりも
高くなり、かつ、第４、第５ゾーンについては、ウエハ
の周縁部の温度Ｔeが中心部の温度Ｔcよりも低くなった
か否かを判別し、条件が成立するまで待機する。条件が
成立すると、流量調整部４４を制御して、処理ガス（Ｈ
Ｃｌ＋Ｏ_２）を反応管２内に供給し、酸化膜の形成を開
始する。酸化処理の間も、上段、中上段、中段、中下
段、下段の各ゾーンのウエハＷの温度が全体として温度
目標軌道が規定する温度に最も近づくように温度制御を
行う。

【００５１】このため、各ゾーンのウエハＷは、互いに
異なる温度プロセスで酸化処理が成される。ただし、モ
デル及びレシピが、均一な膜が形成できるように調整さ
れた値（処理ガスの濃度の影響等を、熱に換算して調整
された値）であるので、ウエハ間で比較的均一な厚さの
酸化膜が成長する。しかも、ＣＡＰ型の酸化膜が形成さ
れ易い上端部では、周縁部が中心部より高温となるよう
に昇温しながら熱処理を行い、ＣＵＰ型の膜が形成され
易い下端部では、中心部が周縁部より高温となるよう
に、降温しながら酸化膜形成処理を行う。従って、各ウ
エハＷには比較的均一な膜厚の酸化膜が形成される。

【００５２】処理ガスの供給後、一定時間が経過して酸
化処理が終了すると、ＣＰＵ１１６は、処理ガスの供給
を停止し、反応管２内にパージガスを供給して、処理ガ
スをパージすると共に、冷却処理を開始し、ヒータ部３
への電力の供給を停止（又は低減）する等して、降温動
作を開始する。

【００５３】ＣＰＵ１１６は、ウエハＷの温度が、目標
値（アンロードできる温度）に達すると、降温処理を終
了し、蓋体２４を降下させ、処理済のウエハボート２３
をアンロードする。

【００５４】以上の動作を第５ゾーンを例として具体的
に説明すると、温度目標軌道とウエハＷの中心部の温度
Ｔcと周縁部の温度Ｔe、さらに、温度ＴcとＴeとの差Ｔ
dとの時間の経過に対する変化は、図４に示すようにな
る。

【００５５】熱処理工程が開始し、温度目標軌道の温度
が降下し始めた直後の期間Ｐ１では、ウエハＷの周辺部
の温度Ｔeが中心部の温度Ｔcよりも高い（０＞Ｔｄ）。
この期間Ｐ１で、処理ガスを供給すると、ＣＵＰ型の膜
形成を是正したいにもかかわらず、周辺部の膜厚が中央
部よりもかえって厚くなるように酸化膜が形成されてし
まう。

【００５６】そこで、ＣＰＵ１１６は、ウエハＷの中心
部の温度Ｔcが周辺部の温度Ｔeよりも高くなった後、即
ち、温度差Ｔdが正の値になるまで待機し、温度差Ｔdが
正の値になったタイミングＰ２の後に処理ガスを供給す
る。すると、ウエハＷの中心部の温度Ｔcが周縁部の温
度Ｔeより高い状態でのみ酸化膜形成処理が行われる。
一定時間（＝期間Ｐ３）だけ酸化処理を実行すると、処
理ガスの供給を停止し、その後、ヒータ３１〜３５への
供給電力を制御して、一旦一定温度に維持した後、反応
管２内を冷却する。

【００５７】以上説明したように、この実施の形態によ
れば、ウエハの温度を変化させながら熱処理を行う場合
に、温度変化直後の不安定な時期に処理ガスを供給せ
ず、中心部と周縁部との温度関係が安定してから、処理
ガスを供給しているので、適切に熱処理を行うことがで
きる。

【００５８】（変形例）図４に示す期間Ｐ４では、ウエ
ハＷ上の温度分布が平衡し、ウエハＷの中心部の温度Ｔ
cと周縁部の温度Ｔeとの差Ｔdは、ほぼ一定値Ｔsを維持
する。この期間Ｐ４、即ち、温度差Ｔdが一定値を維持
している期間にのみ処理ガスを反応管２内に導入するこ
とにより、温度差Ｔdの変動の影響を受けることなく、
熱処理を行うことが可能である。このよう処理を実行す
るためには、実験等により、半導体ウエハＷの中心の温
度Ｔcと周縁部の温度Ｔeとの差Ｔdがほぼ一定になるタ
イミング又は温度差を予め求めておき、条件が成立した
段階で、処理ガスを供給するようにすればよい。例え
ば、実験により、温度差Ｔdが５０℃でほぼ一定となる
ことが判別した場合には、温度差Ｔd＞０且つ温度差Ｔd
＝５０℃となった時点で、制御部１００が処理ガスを反
応管２内に供給するようにすればよい。

【００５９】次に、モデルとレシピの設計手法につい
て、説明する。モデルは、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及びＳou
t1〜Ｓout5の出力（測定値）及びヒータ３１〜３５への
供給電力等から、ウエハＷの温度を推測し、さらに、推
定測した温度の組を目的とする温度とするために、ヒー
タ３１〜３５に供給する電力を特定可能な数学モデルな
らば任意のモデル（多変数、多次元、多出力関数）を利
用可能である。このようなモデルとしては、例えば、米
国特許第５，５１７，５９４号公報に開示されたモデル
を使用することができる。

【００６０】以下、米国特許第５，５１７，５９４号公
報に開示されたモデルを例に説明する。まず、図１に示
す熱処理装置に、中心と中心から所定距離離れた周縁部
とにそれぞれ熱電対を組み込んだ５枚のテスト用ウエハ
を用意する。次に、これらの５枚のテスト用ウエハが、
図３（ａ）の５つのゾーンに１枚ずつ位置するように、
テスト用ウエハと通常のウエハとをウエハボート２３に
載置する。次に、このウエハボート２３を反応管２にロ
ードする。次に、ヒータ３１〜３５に高周波帯域の信号
及び低周波帯域の信号を印加し、熱電対Ｓin1〜Ｓin5及
びＳout1〜Ｓout5の出力、テスト用ウエハ上の中心及び
周縁部に配置した熱電対の出力（ウエハ温度）、ヒータ
に供給される電流等のデータを、例えば、１〜５秒のサ
ンプリング周期で取得する。

【００６１】次に、一定の温度範囲、例えば４００℃〜
１１００℃の範囲で、１００℃間隔で温度帯域を設定す
る（広温度帯域を１つのモデルでカバーすると温度の推
定等が不正確になってしまうため）。

【００６２】取得したデータから、各温度帯域につい
て、数式１に示すＡＲＸ（自動回帰）モデルを設定す
る。

【数１】ｙ_ｔ＋ＡＡ_１ｙ_ｔ−１＋ＡＡ_２ｙ_ｔ−２＋...
＋ＡＡ_ｎｙ_ｔ−ｎ＝ＢＢ_１ｕ_ｔ−１＋ＢＢ_２ｕ_ｔ−２＋...＋ＢＢ_ｎｕ
_ｔ−ｎ＋ｅ_ｔｙ_ｔ：時点ｔでの以下の内容を成分とするｐ行１列のベ
クトル内容：熱電対Ｓin1〜Ｓin5の出力の平衡温度ｙ_biasから
の変動量（この例では５成分）、熱電対Ｓout1〜Ｓout5
の出力の平衡温度ｙ_biasからの変動量（この例では５成
分）、ウエハの中心部にセットした熱電対の出力の平衡
温度ｙ_biasからの変動量（この例では５つ）、ウエハの
周縁部にセットした熱電対の出力の平衡温度ｙ_biasから
の変動量（この例では５つ）。従って、この例では、ｙ
_ｔは２０行１列のベクトルとなる。ｕ_ｔ：時点ｔでのヒータ電力平衡値ｕ_biasからの変動量
を成分とするｍ行１列のベクトル（この例では、ヒータ
が５ゾーンのため、５行１列）。ｅ_ｔ：ホワイトノイズを成分とするｍ行１列のベクト
ル。ｎ：遅れ（例えば８）。ＡＡ_１〜ＡＡ_ｎ：ｐ行ｐ列の行列（この例では、２０行
２０列）。ＢＢ_１〜ＢＢ_ｎ：ｐ行ｍ列の行列（この例では、２０行
５列）。ここで、各係数ＡＡ_１〜ＡＡ_ｎとＢＢ_１〜ＢＢ_ｎを、
最小二乗法等を用いて決定する。

【００６３】求められたARXモデルを空間状態方程式で
表現すると、数式２で示すようになる。

【数２】

【００６４】ここから、熱電対（Ｓin1〜Ｓin5、Ｓout1
〜Ｓout5）、温度T_thermo、ヒータ電力ｕ_ｔからウエハ
温度を推測するモデルを求める。

【００６５】数式１の出力ｙ_ｔを測定可能部分Ｓ_ｔ（Ｐ
_１行１列）とウエハ温度Ｗ_ｔ（Ｐ_２行１列）に分ける。
それに応じて、ＣをＣ_ＳとＣ_Ｗに分割し、ｙ_biasをＳ
_biasとＷ_biasに分割する。

【００６６】ウエハ温度モデルは数式３により計算され
る。

【数３】Ｘ_ｔ+1＝ＡＸ_ｔ+ＢＵ_ｔ+ｋ_ｆｅ_ｔＳ_ｔ＝Ｃ_ｓＸ_ｔ+［Ｉ_ｐ、0］ｅ_ｔ上式に対して適切なリカッチ方程式を解き、フィードバ
ックゲインLを求めると、ウエハ温度モデルは数式４で
示すようになる。

【００６７】

【数４】Ｘ_ｔ+1＝AＸ_ｔ+B（U_ｔ+U_bias）+Ｌ（Ｔ
_thermo―C_SX_ｔ+Ｓ_bias） T_model、ｔ＝C_ｗX_ｔ+Ｗ_bias ここで、T_model、ｔが予測ウエハ温度である。

【００６８】次に、テスト用ウエハを用いてウエハ温度
を再度測定する。数式４に基づいて推定されたウエハ温
度T_modelと実測値T_waterを比較し、モデルをチューニン
グする。このチューニング動作を必要に応じて複数回繰
り返す。実際の膜形成の処理速度を向上するため、作成
したモデルの次数を１０次程低次元化し、熱処理装置に
実装する。一方、ＣＰＵ１１６の動作プログラムに関し
ては、温度の設定値から推測したウエハ温度の変動の時
間平均を最小化するように動作を設定する。

【００６９】さらに、成膜処理の種類に応じて、各ゾー
ン内で均一な成膜が可能となるような温度目標軌道Ｔtr
aj（ｔ）、すなわち、温度レシピを設計する。続いて、
５つのゾーンが全てこの温度目標軌道を追従するように
制御を行ってテスト的に熱処理を実行する。処理後、形
成された膜の厚さを測定し、膜厚のばらつき等をチェッ
クする。例えば、ゾーン１のウエハ上に形成される膜の
厚さが下段のウエハ上にの膜厚よりも小さい場合、直接
的な原因は不明でも、ゾーン１の温度を相対的に上昇さ
せることにより、膜厚をほぼ等しくすることができる。
そこで、最小二乗法等を用いて、ばらつきが最も小さく
なるように、温度目標軌道Ｔtraj（ｔ）を修正する。こ
れが、図３（ｂ）に示すようなゾーン毎の温度レシピで
ある。この温度レシピをさらにチューニングすることも
可能である。

【００７０】このようにして、ウエハの温度推定及びウ
エハ温度を目標温度とするための出力を定義するモデル
と、レシピがそれぞれ設定され、モデル記憶部１１１と
レシピ記憶部１１２に記憶される。

【００７１】その後、実際の熱処理時に、これらのモデ
ル及びレシピは適宜選択されまた読み出されて制御に使
用される。

【００７２】以上、この発明の実施の形態に係るバッチ
式の熱処理装置及び熱処理方法、さらに、制御に使用す
るモデル及びレシピの設計手法を説明したが、この発明
は上記実施の形態に限定されず種々の変形及び応用が可
能である。

【００７３】例えば、上記実施の形態においては、ウエ
ハＷを昇温しながら熱処理を実行する場合には、ウエハ
Ｗの周縁部の温度Ｔeが中心部の温度Ｔcよりも大きくな
った後に、処理ガスを供給し、ウエハＷを降温しながら
熱処理を実行する場合には、ウエハＷの中心部の温度Ｔ
cが周縁部の温度Ｔeよりも大きくなった後に、処理ガス
を供給している。しかし、これに限定されるものではな
く、例えば、ウエハＷの中心部の温度Ｔcと周縁部の温
度Ｔeとの差が予め定めた基準値よりも大きくなった後
に、処理ガスを供給するようにしてもよい。

【００７４】例えば、上記実施の形態においては、反応
管２の内外に配置した複数の温度センサＳin1〜Ｓin5と
Ｓout1〜Ｓout5の出力及びヒータ３１〜３５のパワーか
ら、数学モデルにより、非接触で各ゾーンのウエハＷの
中心部の温度Ｔcと周縁部の温度Ｔeを求めた。しかし、
この方法によらず、放射温度計を使用して、直接ウエハ
の温度を測定し、測定値をＣＰＵ１１６に供給すること
により、同様の制御を行うことも可能である。

【００７５】また、ダミーウエハの中心部と周縁部に熱
電対（温度センサ）を配置し、このウエハをウエハボー
ト２３に配置し、熱電対の出力からウエハの温度を直接
測定することも可能である。

【００７６】ただし、放射温度計を使用する方法は、形
成される膜が光不透過性の膜である場合等には、温度を
測定できない。また、ウエハＷがウエハボート２３に積
層して配置されている場合には、ウエハＷの温度を測定
できない。さらに、温度センサを配置したダミーウエハ
を使用する方法では、反応管２内の高温状態により、ダ
ミーウエハに装着したセンサやワイヤから金属が蒸発
し、反応管２内が金属で汚染されるおそれがある。この
数学モデルを使用することにより、反応管内の金属汚染
を抑えつつ各ゾーンのウエハの中心部及び周縁部の温度
Ｔc、Ｔeを比較的正確に測定（推定）することができ
る。

【００７７】また、機器構成や動作も上記実施の形態に
限定されない。例えば、上記実施の形態では、ヒータの
数と反応管２内のゾーンを５つとしたが、ヒータの数や
温度ゾーンの数は任意である。また、ヒータは、電気抵
抗型のものに限定されず、ランプ等でもよい。また、温
度を測定するための構成も熱電対に限定されず、任意の
温度センサを適用可能である。

【００７８】また、上側のゾーンについては昇温しなが
ら、下側のゾーンについては降温しながら熱処理を行う
例を示したが、熱処理の内容に応じて、上側のゾーンに
ついては降温しながら、下側のゾーンについては、昇温
しながら熱処理を行ってよい。また、ゾーン分けを行わ
ず、全体に１つの温度レシピを設定してもよい。

【００７９】上記実施の形態においては、熱処理として
塩酸と酸素ガスとを用いた酸化処理について説明した
が、他のガスを用いた酸化処理にも同様に適用可能であ
る。また、酸化処理以外の様々な成膜処理、例えば、Ｃ
ＶＤプロセスにも適用可能である。また、成膜処理に限
定されず、不純物の拡散処理やエッチング処理等の熱処
理にも同様に適用可能である。

【００８０】例えば、ＣＶＤによる成膜プロセスで、ウ
エハＷの中心部よりも周縁部で厚く成膜される場合に
は、ウエハ温度を降下させながら成膜処理を行い、さら
に、ウエハの周縁部の温度が中心部の温度よりも低くな
った時点からプロセスガスを供給するようにすればよ
い。

【００８１】同様に、不純物の拡散プロセスで、ウエハ
Ｗの中心部よりも周縁部の方が高濃度で拡散される場合
には、ウエハ温度を降下させながら拡散処理を行い、さ
らに、ウエハの周縁部の温度が中心部の温度よりも低く
なった時点から拡散ガスを供給するようにすればよい。

【００８２】また、被処理体は、半導体ウエハに限定さ
れず、例えば、液晶表示装置のガラス基板やプラズマデ
ィスプレイパネルの基板等でもよい。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、様々な熱処理を適切に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態に係る熱処理装置の構造
を示す図である。

【図２】制御部の構成例を示す回路図である。

【図３】（ａ）は反応管内のゾーンを示し、（ｂ）はゾ
ーン別の温度目標軌道の例を示す図である。

【図４】ウエハの温度変化を説明するための図である。

【符号の説明】

２反応管３ヒータ部２１マニホールド２３ウエハボート２４蓋体２５保温筒（断熱体）３１上段ヒータ３２中上段ヒータ３３中段ヒータ３４中下段ヒータ３５下段ヒータ３６〜４０電力コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｈ０１Ｌ 21/31 ＥＢ (72)発明者鈴木富士雄神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番41 号東京エレクトロン東北株式会社相模事業所内 (72)発明者安原もゆる東京都港区赤坂五丁目３番６号東京エレクトロン株式会社内Ｆターム(参考） 5F045 AA08 AA20 AC11 AC13 BB01 DP19 EK27 EK30 GB05 GB15 GB17 5F058 BA06 BC02 BF53 BF62 BG02 BG03 BG10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ヒータ部を備える加熱炉内に複数の被処理
体を収容し、ヒータ部を制御して、被処理体の温度を変
化させながら加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体
に熱処理を施すバッチ式熱処理方法において、前記加熱炉内の被処理体上の中心部の温度と周縁部の温
度とを測定し、測定した中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値に
達してから加熱炉内に処理ガスを供給して、被処理体に
熱処理を施す、ことを特徴とするバッチ式熱処理方法。
【請求項２】前記ヒータ部を制御して、加熱炉内の温度
を一旦降下した後、上昇させ、測定した前記被処理体の
周縁部の温度と中心部の温度との差が所定値より大きく
なった後に、前記加熱炉内に処理ガスを供給する、こと
を特徴とする請求項１に記載のバッチ式熱処理方法。
【請求項３】前記ヒータ部を制御して、加熱炉内の温度
を一旦上昇した後、降下させ、測定した前記被処理体の
中心部の温度と周縁部の温度との差が所定値より大きく
なった後に、前記加熱炉内に処理ガスを供給する、こと
を特徴とする請求項１に記載のバッチ式熱処理方法。
【請求項４】測定した中心部の温度と周縁部の温度との
差が所定値に達し、且つ、差が実質的に一定値に維持さ
れている期間に、加熱炉内に処理ガスを供給して、被処
理体に熱処理を施す、ことを特徴とする請求項１乃至３
のいずれか１項に記載のバッチ式熱処理方法。
【請求項５】前記ヒータ部は、縦方向に分割して配置さ
れ、独立して制御可能な複数のヒータから構成されてお
り、前記加熱炉内の、前記ヒータにより定義される縦方向に
分割された複数のゾーン別に目標温度軌道を予め記憶
し、各ゾーンの目標温度軌道に従って、前記ヒータを個
別に制御する、ことを特徴とする請求項１乃至４のいず
れか１項に記載のバッチ式熱処理方法。
【請求項６】前記加熱炉内の複数のゾーンの所定の第１
のゾーンについては、時間の経過に伴って温度を上昇さ
せる温度目標軌道が、前記第１のゾーンよりも下方に位
置する第２のゾーンについては、時間の経過に伴って温
度を下降させる温度目標軌道が、それぞれ予め記憶され
ており、前記温度目標軌道に従って、前記第１のゾーンについて
は昇温しながら、第２のゾーンについては降温しなが
ら、前記加熱炉内に処理ガスを供給する、ことを特徴と
する請求項５に記載のバッチ式熱処理方法。
【請求項７】前記加熱炉内の複数のゾーンの所定の第１
のゾーンについては、時間の経過に伴って温度を下降さ
せる温度目標軌道が、前記第１のゾーンよりも下方に位
置する第２のゾーンについては、時間の経過に伴って温
度を上昇させる温度目標軌道が、それぞれ予め記憶され
ており、前記温度目標軌道に従って、前記第１のゾーンについて
は降温しながら、第２のゾーンについては昇温しなが
ら、前記加熱炉内に処理ガスを供給する、ことを特徴と
する請求項５に記載のバッチ式熱処理方法。
【請求項８】加熱炉内に収容されている被処理体に温度
センサを設置し、該温度センサの出力から、被処理体上
の中心部の温度と周縁部の温度とを測定する、ことを特
徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のバッチ
式熱処理方法。
【請求項９】前記加熱炉は、光透過部を備え、前記光透過部を通して前記被処理体の放射温度を測定す
ることにより、被処理体上の中心部の温度と周縁部の温
度とを測定する、ことを特徴とする請求項１乃至７のい
ずれか１項に記載のバッチ式熱処理方法。
【請求項１０】前記加熱炉は、前記被処理体に非接触の
状態で設置された複数の温度センサを備え、前記複数の温度センサの出力から、前記加熱炉内の被処
理体上の複数箇所の温度を推定するための数学モデルを
予め用意し、該数学モデルに基づいて、前記温度センサの出力から、
前記被処理体の複数箇所の温度を推定する、ことを特徴
とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のバッチ式
熱処理方法。
【請求項１１】ヒータ部を備え、内部に被処理体を収容
する加熱炉と、前記加熱炉内に処理ガスを供給するガス
供給手段とを備え、被処理体の温度を上昇又は降下させ
ながらガス供給手段から処理ガスを供給して、被処理体
に熱処理を施すバッチ式熱処理装置において、前記加熱炉内の被処理体上の中心部の温度と周縁部の温
度とを測定する温度測定部と、前記温度測定部により測定された中心部の温度と周縁部
の温度との差が所定値に達してから前記加熱炉内にガス
供給手段から処理ガスを供給させる制御部と、を備える
ことを特徴とするバッチ式熱処理装置。
【請求項１２】前記制御部は、前記温度測定部により測
定された中心部の温度と周縁部の温度との差が実質的に
一定の期間に、ガス供給手段を制御して処理ガスを前記
加熱炉内に供給させる、ことを特徴とする請求項１１に
記載のバッチ式熱処理装置。