JP2004119668A - 基板処理装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーハ温度の推定が容易であり、ウェーハの推定温度によりウェーハでのオーバーシュートが軽減でき、ウェーハ面内の温度を精度良く、短期間で所定の温度に安定させることができる基板処理装置を得る。
【解決手段】反応管４に収納されたウェーハ３を加熱するヒータ１と、ヒータ１に流れる電流値及び電圧値を検出する電流計１６及び電圧計１５と、電流計１６及び電圧計１５により検出された電流値及び電圧値に基づいて、前記ウェーハ温度を推定するウェーハ推定温度算出部と、ウェーハ推定温度算出部により推定された推定温度に基づいてヒータ１を制御する温度コントローラ２２とを備えた。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱装置を制御して基板処理を行う基板処理装置及び加熱装置を制御して半導体装置を製造する半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の基板処理装置の一例として一般的な半導体製造装置の反応室断面を図９に示す。図９において、基板３は炉９内に挿入されるボート２に複数枚多段に載置されており、ボート２は反応管４内に格納される。反応管４の外側であって炉９の壁面内側にはヒータ（ヒータ素線）１が設けられており、また、反応管４下部には、ガス導入口６及びガス排気口５が設けられる。ヒータ１はヒータコントローラ１３により駆動制御される。また、反応管４内に内部ＴＣ（熱電対）７が設けられ、炉９の壁面に外部ＴＣ（熱電対）８が設けられており、これらの検出温度が温度コントローラ１２に送られる。
【０００３】
次に、基板処理の手順を説明する。ボート２が反応管４の下方に位置しているときに、図示しない基板搬送機構により複数の基板３がボート２に収納される。その後、図示しないボート昇降機構によりボート２が反応管４内に収納され、図９の状態となる。この状態で、ガス導入口６から反応ガスを導入しつつガス排気口５から排気を行い、反応管４内を所定の圧力に調整する。この時、反応ガスは、ボート２上の基板３面上を通過しガス排気口５から排気される。この後、ヒータ１の温度を上昇させ、反応管４内を所定の温度まで加熱する。なお、反応管内における圧力値及び温度値は、予め設定されている。
【０００４】
所定の圧力、温度状態となった反応管４内では、加熱された基板３の面上において成膜が進行する。この状態を所定時間保つことにより成膜処理が完了し、反応管４へボート２を収納させたときと逆の手順によりボート２を下降させた後、ボート２より基板３を取り出し、一連の基板処理が終了する。
【０００５】
また、ここで例として挙げた縦型装置の場合、基板３の載置範囲は上下方向に長く、各載置位置における基板３の温度にはむらが生じる事から、ヒータ１を上下方向に分割し、これらを別個に制御することで基板３が載置される範囲全てに亘って均一な温度状態を確保する方法も用いられる。
【０００６】
図１０に示すように、温度コントローラ１２は圧力コントローラ１０と共に、装置操作部１１に接続されている。これら構成要素は例えばＬＡＮや調歩同期等の通信回路を用いる等の方法により接続されており、各構成要素間において情報をやり取りする。ここで、装置操作部１１では装置運用の為の操作や各種設定の入力及び保存、自動運転制御等、作業者とのインタフェースを行う。温度コントローラ１２は、装置操作部１１から制御目標温度値を受け取り、温度センサ（内部ＴＣ７と外部ＴＣ８）から受け取った測定値から現在温度を算出し、制御目標温度値と内部ＴＣの現在温度が一致するようＰＩＤ演算等を行い、制御量としてヒータ出力を算出し、ヒータコントローラ１３に出力する。又は温度履歴を保存する等の処理を行う。ヒータコントローラ１３は温度コントローラ１２からヒータ出力を受け取り、ヒータ１への出力値算出を行った後、ヒータ１へその出力を行う。
【０００７】
半導体製造装置においては反応炉の温度条件が極めて重要であり、この温度制御の精度がウェーハ膜の均一性に大きく影響する。このような反応炉の温度制御は、例えば、図１１のようなＰＩＤカスケード制御方式が用いられる。これは、特許第３２６９８９４号に示されている。これは、内部ＴＣ７による検出温度を設定温度と比較して偏差を第１ＰＩＤ調節部１２Ａに入力し、この出力と外部ＴＣ８による検出温度との偏差を第２ＰＩＤ調節部１２Ｂに入力し、この第２ＰＩＤ調節部１２Ｂの出力でヒータ１を駆動制御するものである。
【０００８】
ところで、近年、ウェハサイズが２００ｍｍに代わり３００ｍｍが主流になりつつあり、またバッチ炉も１００枚以上の大量バッチ式装置から、２５枚程度の少量バッチが主流になりつつある。少量バッチ式装置では、従来より処理枚数が少ない分、スループットが重視される。また、温度制御の品質を評価する対象が内部ＴＣ７の検出温度からウェーハ本体温度へと変わりつつあり、よりウェーハ面内の温度を精度良く、短期間で所定の温度に安定させることが必要である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
少量バッチ式装置では、ウェーハ間隔、ウェーハの熱容量が異なるため、従来方式の構成に示される温度制御では、内部ＴＣ７の検出温度又は、外部ＴＣ８の検出温度が設定値に最短時間で安定するように制御した場合、図１２に示すようにウェーハ端温度ではオーバーシュートが発生しており、ウェーハ温度で目標温度に整定するまでに多くの時間がかかってしまう。これは、ウェーハ上での温度特性が、外部ＴＣ７、内部ＴＣ８よりも動特性が敏感であるためである。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、ウェーハ等の基板面内の温度を精度良く、短期間で所定の温度に安定させることができる基板処理装置及び半導体装置の製造方法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】
上述した課題を解決するため、本発明に係る基板処理装置は、反応室に収納された基板を加熱する加熱装置と、前記加熱装置に流れる電流値及び電圧値を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された電流値及び電圧値に基づいて、前記基板温度を推定する基板温度推定手段と、前記温度推定手段により推定された推定温度に基づいて前記加熱装置を制御する制御手段とを備えてなるものである。
【００１２】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、反応室に収納された基板を加熱する加熱装置を用いて、加熱して処理する半導体装置の製造方法であって、前記加熱装置に流れる電流値及び電圧値を検出する検出ステップと、前記検出ステップにより、検出された電流値及び電圧値に基づいて前記基板温度を推定する基板温度推定ステップと、前記基板温度推定ステップにより推定された推定温度を利用し、前記加熱装置を制御する制御ステップとを備えてなるものである。
【００１３】
なお、実施の形態においては、抵抗加熱ヒータを使用した半導体製造装置の反応炉において、ヒータ素線の電流と電圧を計測し、予め求めておいたヒータ素線の温度と抵抗値変化特性の温度テーブルから、電流と電圧から算出できるヒータ素線の抵抗値をもとに、ヒータ素線の温度を算出する。次に、熱処理を行うシリコンウェーハの温度を内部ＴＣ温度と上記ヒータ素線温度を利用して補間によりウェーハの中心部、ウェーハの円周部、又はウェーハ内を均一に配置したと等価な位置についての平均温度を推定し、半導体製造装置の反応炉を上記推定した温度により制御する。すなわち、抵抗加熱ヒータを使用した半導体製造装置の反応炉において、ヒータ素線の電流と電圧を計測し、予め求めておいたヒータ素線の温度と抵抗値変化特性の温度テーブルから、電流と電圧から算出できるヒータ素線の抵抗値をもとに、ヒータ素線の温度を算出し、そのヒータ素線温度を利用して、反応炉の温度を制御する。また、実施の形態においては、ヒータ推定温度に基づいて基板温度を推定すると共に、内部ＴＣの温度に基づいて基板温度を推定し、これら推定値に基づいて、加熱装置の温度制御をする基板処理装置及び半導体装置の製造方法が記載されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における基板処理装置を半導体製造装置としての縦型ＣＶＤ装置に例をとって、図面を用いて説明する。
図１は実施の形態における構成を示す図である。図１において、図９と同一の符号は図９の対象と同一又は相当物である。
図１においては、ヒータコントローラ１３からヒータ（ヒータ素線）１に供給される電圧及び電流を検出する電圧計１５及び電流計１６が設けられており、それらの検出値が温度コントローラ２２に入力される。
【００１５】
なお、成膜処理については、以下の手順で行われる。ボート２が反応管４の下方に位置しているときに、図示しない基板搬送機構により複数の基板３がボート２に収納される。その後、図示しないボート昇降機構によりボート２が反応管４内に収納される。この状態で、ガス導入口６から反応ガスを導入しつつガス排気口５から排気を行い、反応管４内を所定の圧力に調整する。この時、反応ガスは、ボート２上の基板３面上を通過しガス排気口５から排気される。この後、ヒータ１の温度を上昇させ、反応管４内を所定の温度まで加熱する。なお、反応管内における圧力値及び温度値は、予め設定されている。
【００１６】
所定の圧力、温度状態となった反応管４内では、加熱された基板３の面上において成膜が進行する。この状態を所定時間保つことにより成膜処理が完了し、反応管４へボート２を収納させたときと逆の手順によりボート２を下降させた後、ボート２より基板３を取り出し、一連の基板処理が終了する。
【００１７】
以下、上記温度値を設定するための制御において、まず、ヒータ素線温度の算出方法を具体的に説明する。
図１に示すような実施構成で、分割された複数ゾーンのヒータについて、電圧計１５、電流計１６それぞれから電圧、電流を温度コントローラ２２に入力する。温度コントローラ２２では、入力した電圧と、電流から抵抗値を算出する。例えば、電圧５０Ｖ、電流２５Ａの時、オームの法則（Ｒ＝Ｅ／Ｉ）により抵抗値は、２Ωと算出できる。
【００１８】
図２に示す抵抗値と発熱線温度の特性から、抵抗値が２Ωの時、発熱線温度は、１０００℃と算出できる。この動作を、電圧、電流のサンプリング毎に行い、温度を逐次モニタする。図３に本発明の構成により算出したヒータ素線温度を示す。次に内部ＴＣ温度と前記ヒータ素線温度からウェーハ温度を算出する。基板温度であるウェーハ温度は、ヒータ素線温度よりも応答が遅く、内部ＴＣよりも反応が速いので、ウェーハ温度は、ヒータ素線温度と内部ＴＣ温度の間であると考えられ、比較的簡単な補間方法で推定することが可能になる。
【００１９】
実施例では、ヒータ素線とウェーハ温度、ヒータ素線と内部ＴＣ間にそれぞれ一次遅れ特性（一般にｋ／（Ｔｓ＋１）で表される：ｋはゲイン、Ｔは時定数）のモデルを使用し、ヒータ素線温度から推定したウェーハ温度と、内部ＴＣから推定したウェーハ温度を求めて、変動の大きいところ（例えば、毎分当たりの温度変化が所定温度以上あるところ）では、ヒータ素線温度から推定したウェーハ温度に重みを置き、変動がゆるいところ（例えば、毎分当たりの温度変化が所定温度より小さいところ）では、内部ＴＣから推定したウェーハ温度に重みを置いて補間した温度をウェーハ温度としたものである。この重み付けについては、後述する。
【００２０】
具体的には、まず、ヒータ素線温度からウェーハ温度までの一次遅れ特性のモデルを次のように置く。
【００２１】
Ｗ（ｔ）＝（Ｋ１＊Ｈ（ｔ−１）＋Ｔ１＊Ｗ（ｔ−１））／（１＋Ｔ１）
式１
Ｗ（ｔ）：ウェーハ温度
Ｗ（ｔ−１）：一回前のウェーハ温度
Ｈ（ｔ−１）：一回前のヒータ素線温度
Ｋ１：ウェーハ温度に対するヒータ素線温度のゲイン
Ｔ１：ウェーハ温度の時定数
【００２２】
同様に、ヒータ素線温度からの内部ＴＣ温度までの一次遅れ特性のモデルを次のように置く。
【００２３】
Ｐ（ｔ）＝（Ｋ２＊Ｈ（ｔ−１）＋Ｔ２＊Ｐ（ｔ−１））／（１＋Ｔ２）
式２
Ｐ（ｔ）：内部ＴＣ温度
Ｐ（ｔ−１）：一回前の内部ＴＣ温度
Ｈ（ｔ−１）：一回前のヒータＴＣ温度
Ｋ２：内部ＴＣ温度に対するヒータＴＣ温度のゲイン
Ｔ２：内部ＴＣ温度の時定数
【００２４】
式１より
Ｈ（ｔ−１）＝（（Ｔ１＋１）＊Ｗ（ｔ）−Ｔ１＊Ｗ（ｔ−１））／Ｋ１
【００２５】
Ｈ（ｔ−１）を式２に代入して、整理すると
Ｗ（ｔ）＝（Ｋ１＊（Ｔ２＋１）＊Ｐ（ｔ）−Ｋ１＊Ｔ２＊Ｐ（ｔ−１）＋Ｋ２＊Ｔ１＊Ｗ（ｔ−１））／（Ｋ２＊（１＋Ｔ１））
式３
【００２６】
式１と式３はそれぞれ、ヒータ素線温度を基に推定したウェーハ温度（ＨＷ（ｔ））と内部ＴＣ温度を基に推定したウェーハ温度ＰＷ（ｔ）となる。Ｔ１、Ｔ２、Ｋ１、Ｋ２を調整して、ウェーハ端温度ＨＷ（ｔ）、ＰＷ（ｔ）を推定した例を図４に示す。これら定数の求め方については、後述する。
【００２７】
次に、ＨＷ（ｔ）、ＰＷ（ｔ）との補間からウェーハ端温度Ｗ（ｔ）を推定する。
Ｗ（ｔ）＝（ＨＷ（ｔ）＊ａ＋ＰＷ（ｔ））／（ａ＋１）
式４
ａ＝（Ｐ（ｔ）−Ｐ（ｔ−１））＊Ｃ
ａは変化の大きさを示す。ただし、Ｃは重みゲインである。
ここで、変数ａは内部ＴＣ温度の変化量（Ｐ（ｔ）−Ｐ（ｔ−１））に重みゲインＣを乗算したものであり、内部ＴＣ温度の変化が大きいときには、変数ａを大きな値に、内部ＴＣ温度の変化が小さいときには、変数ａは０に近づける。この変数ａは、式４内で、ヒータ素線温度から推定したウェーハ温度（ＨＷ（ｔ））の重み付けに使用しており、変数ａが大きな値のときには、ヒータ素線温度から推定したウェーハ温度（ＨＷ（ｔ））に重みをおき、変数ａが０に近いときには、内部ＴＣ温度から推定したウェーハ温度（ＰＷ（ｔ））に重みをおいたウェーは推定温度となる。
【００２８】
Ｔ１，Ｔ２，Ｋ１，Ｋ２の求め方については、ＰＩＤ定数の調整と同様にカットアンドトライで行っている。即ち、実機で取得したウェーハ温度、ヒータ素線温度、内部ＴＣ温度をＥｘｃｅｌなどの計算ソフトに読み込み、式１および式３を用いてヒータ素線温度から推定したウェーハ温度ＨＷ（ｔ）と、内部ＴＣ温度から推定したウェーハ温度ＰＷ（ｔ）を計算する。この際、Ｔ１，Ｔ２，Ｋ１，Ｋ２の初期値としては、内部ＴＣ温度とウェーハ端温度の定常値に大きな差がなければ、Ｋ１とＫ２はほぼ同じ値とする。Ｔ１はヒータ素線温度からウェーハ端温度への時定数であり、Ｔ２はヒータ素線温度から内部ＴＣ温度への時定数である。応答速度は、ヒータ（速い）＞ウェーハ端＞内部ＴＣ（遅い）の順なので、Ｔ１よりＴ２を少し大きめに設定する。次に後述の式４の変数ａを計算して、先に計算したＨＷ（ｔ）とＰＷ（ｔ）から、ウェーハ端温度の推定値Ｗ（ｔ）を計算する。計算したＷ（ｔ）と実機のウェーハ端温度をグラフ化し、両者の違いが小さくなるようにＴ１，Ｔ２，Ｋ１，Ｋ２（主にＴ１、Ｔ２）を調整する。
ウェーハ中心、ウェーハ平均値の場合も上記と同様な方法で調整可能であり、応答速度は、ウェーハ端（速い）＞ウェーハ平均値＞ウェーハ中心（遅い）の順なので、上記計算したウェーハ端の「Ｔ１，Ｔ２，Ｋ１，Ｋ２」に基づいて、応答が遅くなるように、Ｔ１，Ｔ２，Ｋ１，Ｋ２を微調整する。
【００２９】
この具体例では、ウェーハ端を推定したが、ウェーハ中心、ウェーハ平均値なども同様に推定することができる。ウェーハ中心の同様な結果を図５に示す。
次に上記ウェーハの推定温度を用いると図６又は図７に示すようなＰＩＤ温度制御方式を行い、ウェーハの温度を直接的に制御することができる。図６は、図１に示した温度コントローラ２２内に検出電圧値と検出電流値とに基づいて上述した式１〜式４を用いてウェーハ温度を推定するウェーハ推定温度算出部２２Ｅを備え、この推定温度を内部ＴＣ７の検出温度に代えて第１ＰＩＤ調節部２２Ａの前段の加算器に入力するようにしたものである。図６の制御方式を用いて実際に制御を行って基板処理をした結果を図８に示す。図８における二つのグラフはそれぞれウェーハ端と中心について推定結果を用いた実測値である。この結果より明らかなように、オーバーシュートが全く認められず、精度が高く且つ応答性に優れた制御が行われたことが示される。なお、図７は、第１ＰＩＤ調節部２２Ａのみによるフィードバック制御に適用した例を示している。
【００３０】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明によれば、ウェーハ温度の推定が容易であり、ウェーハの推定温度によりウェーハでのオーバーシュートが軽減でき、ウェーハ面内の温度を精度良く、短期間で所定の温度に安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における構成を示す図である。
【図２】ヒータ線の温度特性を示す図である。
【図３】ヒータ素線温度とウェーハ及び熱電対の時間／温度特性を示す図である。
【図４】ヒータ素線温度及び熱電対温度に基づくウェーハの推定温度を示す図である。
【図５】ウェーハの端と中心の実測温度と推定温度を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態における温度コントローラを示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における温度コントローラの他の構成を示す図である。
【図８】図６の温度コントローラを用いて実際に温度制御を行った場合のウェーハ温度（実測値）を示す図である。
【図９】従来の半導体製造装置の構成を示す図である。
【図１０】従来の制御システムを示す図である。
【図１１】従来の温度コントローラを示す図である。
【図１２】従来の温度制御の結果を示す図である。
【符号の説明】
１　ヒータ（ヒータ素線）、２　ボート、３　基板、４　反応管、７　内部ＴＣ、１３　ヒータコントローラ、２２　温度コントローラ、２２Ｃ，２２Ｄ　加算器、２２Ａ　第１ＰＩＤ調節部、２２Ｂ　第２ＰＩＤ調節部、２２Ｅ　ウェーハ推定温度算出部。

Claims (2)

1. 反応室に収納された基板を加熱する加熱装置と、
   前記加熱装置に流れる電流値及び電圧値を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された電流値及び電圧値に基づいて、前記基板温度を推定する基板温度推定手段と、
   前記温度推定手段により推定された推定温度に基づいて前記加熱装置を制御する制御手段と、
   を備えてなる基板処理装置。
2. 反応室に収納された基板を加熱装置を用いて加熱し処理する半導体装置の製造方法であって、
   前記加熱装置に流れる電流値及び電圧値を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップにより、検出された電流値及び電圧値に基づいて前記基板温度を推定する基板温度推定ステップと、
   前記基板温度推定ステップにより推定された推定温度を利用し、前記加熱装置を制御する制御ステップと、
   を備えてなる半導体装置の製造方法。

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