JP2004363522A - 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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Abstract
【課題】信頼性の高い熱処理工程を実現し、製品の品質向上と製造コストの低減を可能にする半導体製造装置、およびそれを用いた半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】ガス供給部6の酸素O2ガスの配管経路において、ガス供給源10側にエアバルブAV11と、石英チューブ11側にエアバルブAV4と、そのの間に圧力センサP2およびマスフローコントローラMFC3と、エアバルブAV4と石英チューブ11の間にマスフローメータMFMを設ける。そして、エアバルブAV3、AV4およびAV11を閉じた状態で圧力センサP2の圧力を計測する工程と、エアバルブAV4、AV11を開いた状態で、マスフローコントローラMFC3によるガス流量の供給値と、マスフローメータMFMによるガス流量の計測値を比較する工程を備える。
【選択図】 図2
【解決手段】ガス供給部6の酸素O2ガスの配管経路において、ガス供給源10側にエアバルブAV11と、石英チューブ11側にエアバルブAV4と、そのの間に圧力センサP2およびマスフローコントローラMFC3と、エアバルブAV4と石英チューブ11の間にマスフローメータMFMを設ける。そして、エアバルブAV3、AV4およびAV11を閉じた状態で圧力センサP2の圧力を計測する工程と、エアバルブAV4、AV11を開いた状態で、マスフローコントローラMFC3によるガス流量の供給値と、マスフローメータMFMによるガス流量の計測値を比較する工程を備える。
【選択図】 図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置およびそれを用いた半導体装置の製造方法に関し、特に、熱処理を行う半導体製造装置およびその装置を用いた半導体装置の熱処理工程に適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
本発明者が検討したところによれば、熱処理を行う半導体製造装置の技術に関しては、以下のような技術が考えられる。
【0003】
例えば、反応炉と、その反応炉に酸素、窒素、水素などを供給するガス供給部とを備え、反応炉にて半導体装置の熱処理を行う熱処理装置が多く実在している。
【0004】
このガス供給部は、一般的に、ガス供給源を起点に、レギュレータ(減圧弁)、流量制御ユニット(MFC:mass flow controller)、そしてエアバルブを通って反応炉にガスを供給するような構成となっている。また、ガスの供給を行わない場合は、前記エアバルブのシャットオフなどを行う。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のような熱処理装置の技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。
【0006】
半導体装置の製造工程は、その随所に、熱酸化、アニール、熱拡散などといった熱処理工程を含んでいる。例えば、熱酸化は、素子分離領域を形成する際や、ゲート酸化膜を形成する際などで行われ、前者はフィールド酸化、後者はゲート酸化などと呼ばれている。アニールは、不純物打ち込みによる結晶欠陥などを回復させる際や、シリコン−金属間の界面特性を向上させる際などで行われ、その他にもありとあらゆる場合で用いられる。
【0007】
このような熱処理工程は、熱処理装置によって行われる。その処理方法は、石英チューブなどの反応炉の中で、半導体ウェハを特定の温度およびガスの雰囲気に保つといったものである。そして、この石英チューブに対するガスの供給は、従来技術の熱処理装置で述べたようなガス供給部によって行われる。
【0008】
しかしながら、従来技術のような熱処理装置では、熱処理工程を行う際の信頼性を十分に保てない場合が考えられる。すなわち、ガスの供給に異常が生じ、石英チューブ内のガスの雰囲気が意図しないものになった際、それを早期に検出するための手段を十分に備えていない。
【0009】
このガスの供給異常は、主にMFCの流量異常やエアバルブのリークなどによって発生し、パーティクルなどがその要因となっている。このため、その異常の程度は微小なものが多く、それによって、デバイスに対しては微小な不良が作り込まれる。すると、この微小な異常は、従来の熱処理装置などでは勿論のこと、デバイスの外観チェックなどでも検出困難なものとなる。つまり、デバイスの電気的テストなどによってようやく異常が検出される事態などが十分起こり得る。
【0010】
製品の微細化およびプロセスの複雑化が進むと、従来ではさほど問題にならなかった微小なガスリークなどによっても不良が発生し、製品の歩留り低下が懸念される。とりわけ、熱処理装置などでは、大口径のウェハに対しバッチ処理を行うため、この歩留り低下はコスト面で多大な影響を及ぼす。
【0011】
そこで、本発明の目的は、信頼性の高い熱処理工程を実現し、製品の品質向上と製造コストの低減を可能にする半導体製造装置、およびそれを用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0012】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0014】
本発明による半導体製造装置は、ガス供給源よりガス配管を通して反応炉にガスを供給し、前記反応炉において半導体装置の熱処理を行うものである。
【0015】
そして、前記ガス配管は、前記ガス供給源側に設けられた第1のエアバルブと、前記反応炉側に設けられた第2のエアバルブと、前記第1のエアバルブと前記第2のエアバルブの間に設けられた圧力計測ユニットとを有している。このガス配管の構成によって、エアバルブのリークを検出することができる。
【0016】
また、前記ガス配管は、前記ガス供給源側に設けられた第1のエアバルブと、前記反応炉側に設けられた第2のエアバルブと、前記第1のエアバルブと前記第2のエアバルブの間に設けられた流量制御ユニットと、前記第2のエアバルブと前記反応炉との間に設けられた流量計測ユニットを有するものである。このガス配管の構成によって、流量制御ユニットの流量異常を検出することができる。
【0017】
また、前記ガス供給源のガスを酸素ガスにすると、とりわけ有益な効果を得ることができる。
【0018】
本発明による半導体装置の製造方法は、前記のような半導体製造装置を用いて、前記第1のエアバルブと前記第2のエアバルブを閉じ、前記圧力計測ユニットでの計測によって前記第2のエアバルブのリークを検出する工程を有するものである。
【0019】
また、本発明による半導体装置の製造方法は、前記のような半導体製造装置を用いて、前記流量制御ユニットで設定したガスの流量と、前記流量計測ユニットで計測したガスの流量とを比較し、流量制御ユニットの流量異常を検出する工程を有するものである。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0021】
図1は、本発明の一実施の形態の半導体製造装置の一例を示す構成図である。
【0022】
まず、図1により、本発明の一実施の形態の半導体製造装置の構成の一例を説明する。
【0023】
図1の半導体製造装置は、例えば、ヒータールーム1と、メインコントローラ部2と、クリーンベンチ3と、フロントスカベンジャ4と、リヤスカベンジャ5と、ガス供給部6などから構成される。
【0024】
ヒータールーム1は、石英チューブなどを含み、半導体装置(半導体ウェハ)に対する熱処理を行う。メインコントローラ部2は、水素検知器7などを含み、装置全体の制御を担う。クリーンベンチ3は、ソフトランディング8などを含み、空気を規定の清浄度レベルに保つことでヒータールーム1に搬送前後の半導体装置を管理する。ソフトランディング8は、前記石英チューブに半導体装置を搬入、搬出する際に石英チューブ内管との接触などによるパーティクルの発生を抑制する。
【0025】
フロントスカベンジャ4およびリヤスカベンジャ5は、ヒータールーム1からガス供給部6やクリーンベンチ3側への熱の放散を防止する。そして、ガス供給部6は、ガス供給源とそのガスを前記ヒータールーム1に供給するガス配管を含み、その構成は、例えば図2に示すようなものとなっている。
【0026】
図2は、本発明の一実施の形態の半導体製造装置において、ガス供給部の構成の一例を示すガス配管系統図である。
【0027】
図2のガス供給部6は、例えば、窒素N2、酸素O2、水素H2、塩化水素Hclなどのガスを供給するガス供給源10とガス配管などから構成される。このガス配管には、ガスの純度を上げるフィルタF1〜F3と、ガス供給源10からの供給ガス圧を減圧するレギュレータR1〜R3と、ガス配管の圧力を計測する圧力センサP1〜P3と、ガスの流量を調整するフローメータFM1,2およびマスフローコントローラMFC1〜5と、エアバルブAV1〜11と、マスフローメータMFMなどが備わっている。
【0028】
このような構成によって、前記ヒータールーム1内の石英チューブ11に対して、各種の熱処理工程に応じたガスを供給する。なお、O2ガスなどのガス配管の経路において、マスフローコントローラMFC2側とMFC3側の経路に分岐しているが、ここでは、MFC2側を大きい流量を供給する際の経路、MFC3側を小さい流量を供給する際の経路とする。
【0029】
ここで、O2ガスにおける小さい流量を供給する側のガス配管の経路に着目すると、O2ガスのガス供給源10側に設けられたエアバルブAV11(第1のエアバルブ)と、石英チューブ(反応炉)11側に設けられたエアバルブAV4(第2のエアバルブ)と、それらのバルブの間に設けられた圧力センサ(圧力計測ユニット)P2を有した構成となっている。
【0030】
そして、さらに、エアバルブAV11とAV4の間に設けられたマスフローコントローラ(流量制御ユニット)MFC3と、エアバルブAV4と石英チューブ11との間に設けられたマスフローメータ(流量計測ユニット)MFMを有した構成となっている。
【0031】
同様に、O2ガスの大きい流量を供給する側のガス配管の経路においても、エアバルブAV11(第1のエアバルブ)とエアバルブAV3(第2のエアバルブ)の間に設けられた圧力センサ(圧力計測ユニット)P2を有した構成となっている。
【0032】
つぎに、図1に示した半導体製造装置の動作の一例を、この装置をフィールド拡散工程で用いた場合を例として説明する。
【0033】
図3は、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、図1の半導体装置を用いてフィールド拡散工程を行った際の処理フローの一例を示す図である。図4は、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、ガス供給部の検査を行う手順の一例であり、(a)はエアバルブのリークを検査する手順の一例、(b)はMFCの流量異常を検査する手順の一例を示す図である。
【0034】
図3のフィールド拡散工程は、イオン注入後に行われる。そして、このフィールド拡散工程は、イオン注入による結晶ダメージを回復する処理と、素子分離の酸化膜を形成する処理(フィールド酸化)を兼ね備えたものとなっており、例えば、次のように行われる。
【0035】
ステップS1において、ヒータールーム1内の温度を850℃にセットし、図2のフローメータFM1によりN2ガスを流量12L/min(12リットル/分)で流し込む。
【0036】
ステップS2において、ステップS1の温度およびガス条件で、クリーンベンチ3からヒータールーム1に半導体ウェハを搬入する。所要時間は、15分とする。
【0037】
ステップS3において、ステップS2の半導体ウェハ搬入後、ヒータールーム1内の温度を850℃から1000℃に昇温する。ガス条件は、N2ガスの12L/minを保つ。所要時間は、20分とする。
【0038】
ステップS4において、ヒータールーム1内の温度を1000℃に保ち、図2のエアバルブAV4とAV11を開き、これまでのN2ガスに加えて、マスフローコントローラMFC3によりO2ガスを0.12L/minで流し込む。この状態で、例えば50分間のプレヒートを行う。
【0039】
ステップS5において、ステップS4のプレヒートの後、N2ガスを止め、エアバルブAV4を閉じ、AV3とAV6を開いて、マスフローコントローラMFC2とMFC4によりO2ガスを5L/min、H2ガスを9L/minで流し込む。この状態で、例えば160分間の半導体ウェハの熱酸化を行う。
【0040】
ステップS6において、ステップS5の熱酸化終了後、エアバルブAV3とAV6を閉じてO2ガスとH2ガスを止め、N2ガスを12L/minで流し込む。この状態でヒータールーム1内の温度を1000℃から900℃に降温する。所要時間は、33分とする。
【0041】
ステップS7において、ステップS6の降温後、半導体ウェハをヒータールーム1からクリーンベンチ3に搬出する。
【0042】
このようなステップS1〜S7の処理の内、前記ステップS2,S3の処理が、イオン注入による結晶ダメージを回復させるものであり、前記ステップS5の処理が、フィールド酸化を行うものである。
【0043】
ここで、前記ステップS1〜S3,S6,S7においては、図4(a)のフローに、図2のO2ガス配管上のエアバルブAV3,AV4,AV11は、常時閉じた状態にする(ステップS11)。そして、圧力センサP2のガス圧を常時監視する(ステップS12)。ここでは、仮に0.1MPaを判定値とし、ガス圧がそれ以下の場合はエアバルブのリーク異常としてアラームなどを発信することにする。
【0044】
また、前記ステップS4においては、図4(b)のフローのように、図2のO2ガス配管上のエアバルブAV11とAV4は常時開いた状態で(ステップS21)、マスフローコントローラMFC3にてO2ガスの流量を調整する(ステップS22)。そして、マスフローメータMFMでガス流量を計測し(ステップS23)、マスフローコントローラMFC3の流量値とマスフローメータMFMの測定値との比較を行う(ステップS24)。ここでは、流量値と測定値の単位をslm(1気圧でのL/min)とし、マスフローコントローラMFC3の流量値とマスフローメータMFMの測定値との誤差が仮に5%より大きい場合は、マスフローコントローラMFC3の流量異常としてアラームなどを発信することにする。
【0045】
このようなフィールド拡散工程において、従来のガス供給部では、前記図2のエアバルブAV11または圧力センサP2などが設けられていなかった。したがって、前記ステップS1〜S3などで、例えば図2のエアバルブAV3やAV4においてO2ガスの微小リークが発生した場合に、それをリアルタイムで検出するのは困難となっていた。
【0046】
また、O2ガスの微小リークが問題となるのは、例えば図5に示すように、酸化膜12の下のイオン注入層に結晶欠陥13などが発生してしまうためである。図5では、P−sub(P型基板)上にNWELL(N型ウェル)やPWELL(P型ウェル)を設け、それらのウェル内にPF(P型イオン注入層)やNF(N型イオン注入層)が形成されている。そして、それらの上に酸化膜12が形成されているが、この酸化膜12形成前の熱処理(イオン注入によるダメージ回復処理)時のO2ガスの微小リークによってNFに結晶欠陥13が発生している。
【0047】
このような結晶欠陥13は、主に製品完成後の電気的テストによって、電流リーク不良などで検出されることになる。また、結晶欠陥13の程度によっては、市場での不良によって初めて検出される可能性も考えられる。
【0048】
このO2ガスのリーク量と結晶欠陥数の関係は、例えば図6のようになる。O2ガスのリーク量が0.01L/minの場合は、半導体ウェハ内に結晶欠陥13は発生していない。しかしながら、この結晶欠陥13の数は、0.06L/minでは34個、0.12L/minでは385個となり、そして、0.24L/minでは1161個となる。この数になると、半導体ウェハ全面に不良が及ぶ可能性も十分考えられる。
【0049】
一方、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法を用いると、図2のエアバルブAV3やAV4に起因するO2ガスの微小リークを、前記図4(a)のようなフローで検出することが可能となる。前記図4(a)における圧力の判定値0.1MPaは、例えば、前記図6のO2ガスのリーク量と結晶欠陥数の関係と、O2ガスのリーク量と時系列的な圧力低下の関係などから決定することができる。
【0050】
その一例として、図7は、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、O2ガスのリーク量と時系列的な圧力低下の関係の一例を示すグラフである。図7は、例えば、図2のエアバルブAV3、AV4およびAV11を閉じた状態で、AV4に微小リークが発生した場合として、そのリーク量と一定時間経過後の圧力センサP2の計測値との関係を示すものである。
【0051】
圧力センサP2のガス圧は、初期状態を0.2MPaとし、リーク量が10sccm(1気圧で10cm3/min)の場合は、30分後に0.1MPaまで低下し、リーク量が20sccmの場合は15分後に0.1MPaまで低下する。つまり、10cm3/minより大きい量のリークが発生すると、30分間で0.1MPa以下に圧力が低下することになる。
【0052】
ここで、前記図6によると、0.01L/min(10cm3/min)より大きい量のリークが発生すると結晶欠陥13が発生する可能性が高くなると言える。また、前記図3のステップS1〜S3の所要時間とステップS6〜S7の所要時間は、それぞれ約30分となっている。これらのことから、圧力センサP2のガス圧が0.1MPa以下に低下した場合を検出すれば、10cm3/minより大きい量のリークが発生していることになり、この場合、図5のような結晶欠陥13が発生している可能性が極めて高いことになる。
【0053】
つぎに、前記図3のステップS4,S5におけるO2ガス供給時に関しても、例えば図2のマスフローコントローラMFC3などでO2ガスの流量異常が発生する場合が十分考えられる。ところが、従来のガス供給部では、前記図2のマスフローメータMFMのようなものがないため、マスフローコントローラMFC3の流量異常を検出することが困難となっていた。ただし、マスフローコントローラMFC2で流量異常が生じた場合は、通常、酸化膜厚チェックなどのデバイス外観検査によって異常を検出することができる。
【0054】
ステップS4などでマスフローコントローラMFC3の流量異常があると酸化膜厚に異常が生じるが、これに関しては、酸化膜厚チェックで検出できない場合も考えられる。また、製品によっては、前記ステップS1〜S4の間で、図5のような結晶欠陥13が発生しない程度に微小なO2ガスを供給するプロセス条件もある。このような場合に、従来のガス供給部では、流量異常によりO2ガスが過剰に供給されても、それを検出することは困難となっている。
【0055】
一方、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法を用いると、前記図3のステップS4などで図2のマスフローコントローラMFC3に流量異常が発生しても、前記図4(b)のようなフローで検出することが可能となる。図4(b)では、マスフローコントローラMFC3の流量値とマスフローメータMFMの計測値の誤差が5%以内を正常としたが、この値は、使用するMFC機器やMFM機器の性能などによって決められることになる。
【0056】
なお、図2のマスフローコントローラMFC2の流量異常に関しては、前述したように酸化膜厚チェックで検出可能として、この経路にはMFMを設けていない。また、図2ではMFMを用いたが、流量を計測できる装置で分解能および精度などの条件が満たされれば、特にMFMに限定されるものではない。また、分解能および精度の面から通常は困難であるが、例えば、超高分解能のMFMを用いれば、MFMにてエアバルブAV4などのリークを検出することも可能になる。
【0057】
以上、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、エアバルブのリークとMFCの流量異常の検出によって、熱処理工程の信頼性が高まり、異常を早期に検出することで不良の作り込みなどを低減することができる。また、これらによって、歩留りが向上し、製造コストの低減が可能となる。
【0058】
さらに、微小なガスリークなどに起因して、従来において市場で不良になり得たようなデバイスが低減し、半導体装置の品質を向上させることができる。そして、これら微小なガスリークなどを検出することは、製品の微細化および半導体ウェハの大口径化などに伴い益々有益なものとなる。
【0059】
なお、ここでは、フィールド拡散工程でのO2ガスの検査を例としたが、勿論他の工程に対しても、それに応じたガス経路に図2のエアバルブAV11や圧力センサP2およびマスフローメータMFMのようなものを備えることは有効である。
【0060】
例えば、図2と同じ構成で、イオン注入後のアニール工程においても、O2ガスの微小リークを検査可能である。また、ゲート酸化膜形成工程において、O2ガスの流量異常を検査することもできる。さらに、フィールド拡散工程などで、H2ガスの経路にエアバルブやマスフローメータを備えてエアバルブのリークやMFCの流量異常を検査することも有効である。
【0061】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0062】
例えば、流量異常を検出するマスフローメータは、熱処理装置に限らず真空技術を用いるCVD装置などに適用しても有効である。また、その他ガス使用製造設備全般にも適用可能である。
【0063】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【0064】
(1)エアバルブのリークとMFCの流量異常をリアルタイムで検出可能な、熱処理などを行う半導体製造装置を提供することができる。
【0065】
(2)前記(1)の装置を製造工程に用いることで、早期にガスの異常を検出でき、不良の作り込みなどを低減することができる。
【0066】
(3)前記(2)によって、従来において市場で不良になり得たようなデバイスが低減し、半導体装置の品質を向上させることができる。
【0067】
(4)前記(2)によって、歩留りの向上などで製造コストの低減が可能となる。
【0068】
(5)前記(2)〜(4)によって、信頼性の高い熱処理工程を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の半導体製造装置の一例を示す構成図である。
【図2】本発明の一実施の形態の半導体製造装置において、ガス供給部の構成の一例を示すガス配管系統図である。
【図3】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、図1の半導体装置を用いてフィールド拡散工程を行った際の処理フローの一例を示す図である。
【図4】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、ガス供給部の検査を行う手順の一例であり、(a)はエアバルブのリークを検査する手順の一例、(b)はMFCの流量異常を検査する手順の一例を示す図である。
【図5】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、フィールド拡散工程でのO2ガスの微小リークに起因するデバイス不良箇所の一例を示すデバイス断面図である。
【図6】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、フィールド拡散工程でのO2ガスのリーク量と半導体ウェハ内の結晶欠陥数との関係の一例を示す図である。
【図7】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、O2ガスのリーク量と時系列的な圧力低下の関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
1 ヒータールーム
2 メインコントローラ部
3 クリーンベンチ
4 フロントスカベンジャ
5 リヤスカベンジャ
6 ガス供給部
7 水素検知器
8 ソフトランディング
10 ガス供給源
11 石英チューブ
12 酸化膜
13 結晶欠陥
AV1〜11 エアバルブ
FM1,2 フローメータ
MFC1〜5 マスフローコントローラ
MFM マスフローメータ
R1〜3 レギュレータ
F1〜3 フィルタ
P1〜3 圧力センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置およびそれを用いた半導体装置の製造方法に関し、特に、熱処理を行う半導体製造装置およびその装置を用いた半導体装置の熱処理工程に適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
本発明者が検討したところによれば、熱処理を行う半導体製造装置の技術に関しては、以下のような技術が考えられる。
【0003】
例えば、反応炉と、その反応炉に酸素、窒素、水素などを供給するガス供給部とを備え、反応炉にて半導体装置の熱処理を行う熱処理装置が多く実在している。
【0004】
このガス供給部は、一般的に、ガス供給源を起点に、レギュレータ(減圧弁)、流量制御ユニット(MFC:mass flow controller)、そしてエアバルブを通って反応炉にガスを供給するような構成となっている。また、ガスの供給を行わない場合は、前記エアバルブのシャットオフなどを行う。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のような熱処理装置の技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。
【0006】
半導体装置の製造工程は、その随所に、熱酸化、アニール、熱拡散などといった熱処理工程を含んでいる。例えば、熱酸化は、素子分離領域を形成する際や、ゲート酸化膜を形成する際などで行われ、前者はフィールド酸化、後者はゲート酸化などと呼ばれている。アニールは、不純物打ち込みによる結晶欠陥などを回復させる際や、シリコン−金属間の界面特性を向上させる際などで行われ、その他にもありとあらゆる場合で用いられる。
【0007】
このような熱処理工程は、熱処理装置によって行われる。その処理方法は、石英チューブなどの反応炉の中で、半導体ウェハを特定の温度およびガスの雰囲気に保つといったものである。そして、この石英チューブに対するガスの供給は、従来技術の熱処理装置で述べたようなガス供給部によって行われる。
【0008】
しかしながら、従来技術のような熱処理装置では、熱処理工程を行う際の信頼性を十分に保てない場合が考えられる。すなわち、ガスの供給に異常が生じ、石英チューブ内のガスの雰囲気が意図しないものになった際、それを早期に検出するための手段を十分に備えていない。
【0009】
このガスの供給異常は、主にMFCの流量異常やエアバルブのリークなどによって発生し、パーティクルなどがその要因となっている。このため、その異常の程度は微小なものが多く、それによって、デバイスに対しては微小な不良が作り込まれる。すると、この微小な異常は、従来の熱処理装置などでは勿論のこと、デバイスの外観チェックなどでも検出困難なものとなる。つまり、デバイスの電気的テストなどによってようやく異常が検出される事態などが十分起こり得る。
【0010】
製品の微細化およびプロセスの複雑化が進むと、従来ではさほど問題にならなかった微小なガスリークなどによっても不良が発生し、製品の歩留り低下が懸念される。とりわけ、熱処理装置などでは、大口径のウェハに対しバッチ処理を行うため、この歩留り低下はコスト面で多大な影響を及ぼす。
【0011】
そこで、本発明の目的は、信頼性の高い熱処理工程を実現し、製品の品質向上と製造コストの低減を可能にする半導体製造装置、およびそれを用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0012】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0014】
本発明による半導体製造装置は、ガス供給源よりガス配管を通して反応炉にガスを供給し、前記反応炉において半導体装置の熱処理を行うものである。
【0015】
そして、前記ガス配管は、前記ガス供給源側に設けられた第1のエアバルブと、前記反応炉側に設けられた第2のエアバルブと、前記第1のエアバルブと前記第2のエアバルブの間に設けられた圧力計測ユニットとを有している。このガス配管の構成によって、エアバルブのリークを検出することができる。
【0016】
また、前記ガス配管は、前記ガス供給源側に設けられた第1のエアバルブと、前記反応炉側に設けられた第2のエアバルブと、前記第1のエアバルブと前記第2のエアバルブの間に設けられた流量制御ユニットと、前記第2のエアバルブと前記反応炉との間に設けられた流量計測ユニットを有するものである。このガス配管の構成によって、流量制御ユニットの流量異常を検出することができる。
【0017】
また、前記ガス供給源のガスを酸素ガスにすると、とりわけ有益な効果を得ることができる。
【0018】
本発明による半導体装置の製造方法は、前記のような半導体製造装置を用いて、前記第1のエアバルブと前記第2のエアバルブを閉じ、前記圧力計測ユニットでの計測によって前記第2のエアバルブのリークを検出する工程を有するものである。
【0019】
また、本発明による半導体装置の製造方法は、前記のような半導体製造装置を用いて、前記流量制御ユニットで設定したガスの流量と、前記流量計測ユニットで計測したガスの流量とを比較し、流量制御ユニットの流量異常を検出する工程を有するものである。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0021】
図1は、本発明の一実施の形態の半導体製造装置の一例を示す構成図である。
【0022】
まず、図1により、本発明の一実施の形態の半導体製造装置の構成の一例を説明する。
【0023】
図1の半導体製造装置は、例えば、ヒータールーム1と、メインコントローラ部2と、クリーンベンチ3と、フロントスカベンジャ4と、リヤスカベンジャ5と、ガス供給部6などから構成される。
【0024】
ヒータールーム1は、石英チューブなどを含み、半導体装置(半導体ウェハ)に対する熱処理を行う。メインコントローラ部2は、水素検知器7などを含み、装置全体の制御を担う。クリーンベンチ3は、ソフトランディング8などを含み、空気を規定の清浄度レベルに保つことでヒータールーム1に搬送前後の半導体装置を管理する。ソフトランディング8は、前記石英チューブに半導体装置を搬入、搬出する際に石英チューブ内管との接触などによるパーティクルの発生を抑制する。
【0025】
フロントスカベンジャ4およびリヤスカベンジャ5は、ヒータールーム1からガス供給部6やクリーンベンチ3側への熱の放散を防止する。そして、ガス供給部6は、ガス供給源とそのガスを前記ヒータールーム1に供給するガス配管を含み、その構成は、例えば図2に示すようなものとなっている。
【0026】
図2は、本発明の一実施の形態の半導体製造装置において、ガス供給部の構成の一例を示すガス配管系統図である。
【0027】
図2のガス供給部6は、例えば、窒素N2、酸素O2、水素H2、塩化水素Hclなどのガスを供給するガス供給源10とガス配管などから構成される。このガス配管には、ガスの純度を上げるフィルタF1〜F3と、ガス供給源10からの供給ガス圧を減圧するレギュレータR1〜R3と、ガス配管の圧力を計測する圧力センサP1〜P3と、ガスの流量を調整するフローメータFM1,2およびマスフローコントローラMFC1〜5と、エアバルブAV1〜11と、マスフローメータMFMなどが備わっている。
【0028】
このような構成によって、前記ヒータールーム1内の石英チューブ11に対して、各種の熱処理工程に応じたガスを供給する。なお、O2ガスなどのガス配管の経路において、マスフローコントローラMFC2側とMFC3側の経路に分岐しているが、ここでは、MFC2側を大きい流量を供給する際の経路、MFC3側を小さい流量を供給する際の経路とする。
【0029】
ここで、O2ガスにおける小さい流量を供給する側のガス配管の経路に着目すると、O2ガスのガス供給源10側に設けられたエアバルブAV11(第1のエアバルブ)と、石英チューブ(反応炉)11側に設けられたエアバルブAV4(第2のエアバルブ)と、それらのバルブの間に設けられた圧力センサ(圧力計測ユニット)P2を有した構成となっている。
【0030】
そして、さらに、エアバルブAV11とAV4の間に設けられたマスフローコントローラ(流量制御ユニット)MFC3と、エアバルブAV4と石英チューブ11との間に設けられたマスフローメータ(流量計測ユニット)MFMを有した構成となっている。
【0031】
同様に、O2ガスの大きい流量を供給する側のガス配管の経路においても、エアバルブAV11(第1のエアバルブ)とエアバルブAV3(第2のエアバルブ)の間に設けられた圧力センサ(圧力計測ユニット)P2を有した構成となっている。
【0032】
つぎに、図1に示した半導体製造装置の動作の一例を、この装置をフィールド拡散工程で用いた場合を例として説明する。
【0033】
図3は、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、図1の半導体装置を用いてフィールド拡散工程を行った際の処理フローの一例を示す図である。図4は、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、ガス供給部の検査を行う手順の一例であり、(a)はエアバルブのリークを検査する手順の一例、(b)はMFCの流量異常を検査する手順の一例を示す図である。
【0034】
図3のフィールド拡散工程は、イオン注入後に行われる。そして、このフィールド拡散工程は、イオン注入による結晶ダメージを回復する処理と、素子分離の酸化膜を形成する処理(フィールド酸化)を兼ね備えたものとなっており、例えば、次のように行われる。
【0035】
ステップS1において、ヒータールーム1内の温度を850℃にセットし、図2のフローメータFM1によりN2ガスを流量12L/min(12リットル/分)で流し込む。
【0036】
ステップS2において、ステップS1の温度およびガス条件で、クリーンベンチ3からヒータールーム1に半導体ウェハを搬入する。所要時間は、15分とする。
【0037】
ステップS3において、ステップS2の半導体ウェハ搬入後、ヒータールーム1内の温度を850℃から1000℃に昇温する。ガス条件は、N2ガスの12L/minを保つ。所要時間は、20分とする。
【0038】
ステップS4において、ヒータールーム1内の温度を1000℃に保ち、図2のエアバルブAV4とAV11を開き、これまでのN2ガスに加えて、マスフローコントローラMFC3によりO2ガスを0.12L/minで流し込む。この状態で、例えば50分間のプレヒートを行う。
【0039】
ステップS5において、ステップS4のプレヒートの後、N2ガスを止め、エアバルブAV4を閉じ、AV3とAV6を開いて、マスフローコントローラMFC2とMFC4によりO2ガスを5L/min、H2ガスを9L/minで流し込む。この状態で、例えば160分間の半導体ウェハの熱酸化を行う。
【0040】
ステップS6において、ステップS5の熱酸化終了後、エアバルブAV3とAV6を閉じてO2ガスとH2ガスを止め、N2ガスを12L/minで流し込む。この状態でヒータールーム1内の温度を1000℃から900℃に降温する。所要時間は、33分とする。
【0041】
ステップS7において、ステップS6の降温後、半導体ウェハをヒータールーム1からクリーンベンチ3に搬出する。
【0042】
このようなステップS1〜S7の処理の内、前記ステップS2,S3の処理が、イオン注入による結晶ダメージを回復させるものであり、前記ステップS5の処理が、フィールド酸化を行うものである。
【0043】
ここで、前記ステップS1〜S3,S6,S7においては、図4(a)のフローに、図2のO2ガス配管上のエアバルブAV3,AV4,AV11は、常時閉じた状態にする(ステップS11)。そして、圧力センサP2のガス圧を常時監視する(ステップS12)。ここでは、仮に0.1MPaを判定値とし、ガス圧がそれ以下の場合はエアバルブのリーク異常としてアラームなどを発信することにする。
【0044】
また、前記ステップS4においては、図4(b)のフローのように、図2のO2ガス配管上のエアバルブAV11とAV4は常時開いた状態で(ステップS21)、マスフローコントローラMFC3にてO2ガスの流量を調整する(ステップS22)。そして、マスフローメータMFMでガス流量を計測し(ステップS23)、マスフローコントローラMFC3の流量値とマスフローメータMFMの測定値との比較を行う(ステップS24)。ここでは、流量値と測定値の単位をslm(1気圧でのL/min)とし、マスフローコントローラMFC3の流量値とマスフローメータMFMの測定値との誤差が仮に5%より大きい場合は、マスフローコントローラMFC3の流量異常としてアラームなどを発信することにする。
【0045】
このようなフィールド拡散工程において、従来のガス供給部では、前記図2のエアバルブAV11または圧力センサP2などが設けられていなかった。したがって、前記ステップS1〜S3などで、例えば図2のエアバルブAV3やAV4においてO2ガスの微小リークが発生した場合に、それをリアルタイムで検出するのは困難となっていた。
【0046】
また、O2ガスの微小リークが問題となるのは、例えば図5に示すように、酸化膜12の下のイオン注入層に結晶欠陥13などが発生してしまうためである。図5では、P−sub(P型基板)上にNWELL(N型ウェル)やPWELL(P型ウェル)を設け、それらのウェル内にPF(P型イオン注入層)やNF(N型イオン注入層)が形成されている。そして、それらの上に酸化膜12が形成されているが、この酸化膜12形成前の熱処理(イオン注入によるダメージ回復処理)時のO2ガスの微小リークによってNFに結晶欠陥13が発生している。
【0047】
このような結晶欠陥13は、主に製品完成後の電気的テストによって、電流リーク不良などで検出されることになる。また、結晶欠陥13の程度によっては、市場での不良によって初めて検出される可能性も考えられる。
【0048】
このO2ガスのリーク量と結晶欠陥数の関係は、例えば図6のようになる。O2ガスのリーク量が0.01L/minの場合は、半導体ウェハ内に結晶欠陥13は発生していない。しかしながら、この結晶欠陥13の数は、0.06L/minでは34個、0.12L/minでは385個となり、そして、0.24L/minでは1161個となる。この数になると、半導体ウェハ全面に不良が及ぶ可能性も十分考えられる。
【0049】
一方、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法を用いると、図2のエアバルブAV3やAV4に起因するO2ガスの微小リークを、前記図4(a)のようなフローで検出することが可能となる。前記図4(a)における圧力の判定値0.1MPaは、例えば、前記図6のO2ガスのリーク量と結晶欠陥数の関係と、O2ガスのリーク量と時系列的な圧力低下の関係などから決定することができる。
【0050】
その一例として、図7は、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、O2ガスのリーク量と時系列的な圧力低下の関係の一例を示すグラフである。図7は、例えば、図2のエアバルブAV3、AV4およびAV11を閉じた状態で、AV4に微小リークが発生した場合として、そのリーク量と一定時間経過後の圧力センサP2の計測値との関係を示すものである。
【0051】
圧力センサP2のガス圧は、初期状態を0.2MPaとし、リーク量が10sccm(1気圧で10cm3/min)の場合は、30分後に0.1MPaまで低下し、リーク量が20sccmの場合は15分後に0.1MPaまで低下する。つまり、10cm3/minより大きい量のリークが発生すると、30分間で0.1MPa以下に圧力が低下することになる。
【0052】
ここで、前記図6によると、0.01L/min(10cm3/min)より大きい量のリークが発生すると結晶欠陥13が発生する可能性が高くなると言える。また、前記図3のステップS1〜S3の所要時間とステップS6〜S7の所要時間は、それぞれ約30分となっている。これらのことから、圧力センサP2のガス圧が0.1MPa以下に低下した場合を検出すれば、10cm3/minより大きい量のリークが発生していることになり、この場合、図5のような結晶欠陥13が発生している可能性が極めて高いことになる。
【0053】
つぎに、前記図3のステップS4,S5におけるO2ガス供給時に関しても、例えば図2のマスフローコントローラMFC3などでO2ガスの流量異常が発生する場合が十分考えられる。ところが、従来のガス供給部では、前記図2のマスフローメータMFMのようなものがないため、マスフローコントローラMFC3の流量異常を検出することが困難となっていた。ただし、マスフローコントローラMFC2で流量異常が生じた場合は、通常、酸化膜厚チェックなどのデバイス外観検査によって異常を検出することができる。
【0054】
ステップS4などでマスフローコントローラMFC3の流量異常があると酸化膜厚に異常が生じるが、これに関しては、酸化膜厚チェックで検出できない場合も考えられる。また、製品によっては、前記ステップS1〜S4の間で、図5のような結晶欠陥13が発生しない程度に微小なO2ガスを供給するプロセス条件もある。このような場合に、従来のガス供給部では、流量異常によりO2ガスが過剰に供給されても、それを検出することは困難となっている。
【0055】
一方、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法を用いると、前記図3のステップS4などで図2のマスフローコントローラMFC3に流量異常が発生しても、前記図4(b)のようなフローで検出することが可能となる。図4(b)では、マスフローコントローラMFC3の流量値とマスフローメータMFMの計測値の誤差が5%以内を正常としたが、この値は、使用するMFC機器やMFM機器の性能などによって決められることになる。
【0056】
なお、図2のマスフローコントローラMFC2の流量異常に関しては、前述したように酸化膜厚チェックで検出可能として、この経路にはMFMを設けていない。また、図2ではMFMを用いたが、流量を計測できる装置で分解能および精度などの条件が満たされれば、特にMFMに限定されるものではない。また、分解能および精度の面から通常は困難であるが、例えば、超高分解能のMFMを用いれば、MFMにてエアバルブAV4などのリークを検出することも可能になる。
【0057】
以上、本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、エアバルブのリークとMFCの流量異常の検出によって、熱処理工程の信頼性が高まり、異常を早期に検出することで不良の作り込みなどを低減することができる。また、これらによって、歩留りが向上し、製造コストの低減が可能となる。
【0058】
さらに、微小なガスリークなどに起因して、従来において市場で不良になり得たようなデバイスが低減し、半導体装置の品質を向上させることができる。そして、これら微小なガスリークなどを検出することは、製品の微細化および半導体ウェハの大口径化などに伴い益々有益なものとなる。
【0059】
なお、ここでは、フィールド拡散工程でのO2ガスの検査を例としたが、勿論他の工程に対しても、それに応じたガス経路に図2のエアバルブAV11や圧力センサP2およびマスフローメータMFMのようなものを備えることは有効である。
【0060】
例えば、図2と同じ構成で、イオン注入後のアニール工程においても、O2ガスの微小リークを検査可能である。また、ゲート酸化膜形成工程において、O2ガスの流量異常を検査することもできる。さらに、フィールド拡散工程などで、H2ガスの経路にエアバルブやマスフローメータを備えてエアバルブのリークやMFCの流量異常を検査することも有効である。
【0061】
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0062】
例えば、流量異常を検出するマスフローメータは、熱処理装置に限らず真空技術を用いるCVD装置などに適用しても有効である。また、その他ガス使用製造設備全般にも適用可能である。
【0063】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【0064】
(1)エアバルブのリークとMFCの流量異常をリアルタイムで検出可能な、熱処理などを行う半導体製造装置を提供することができる。
【0065】
(2)前記(1)の装置を製造工程に用いることで、早期にガスの異常を検出でき、不良の作り込みなどを低減することができる。
【0066】
(3)前記(2)によって、従来において市場で不良になり得たようなデバイスが低減し、半導体装置の品質を向上させることができる。
【0067】
(4)前記(2)によって、歩留りの向上などで製造コストの低減が可能となる。
【0068】
(5)前記(2)〜(4)によって、信頼性の高い熱処理工程を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の半導体製造装置の一例を示す構成図である。
【図2】本発明の一実施の形態の半導体製造装置において、ガス供給部の構成の一例を示すガス配管系統図である。
【図3】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、図1の半導体装置を用いてフィールド拡散工程を行った際の処理フローの一例を示す図である。
【図4】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、ガス供給部の検査を行う手順の一例であり、(a)はエアバルブのリークを検査する手順の一例、(b)はMFCの流量異常を検査する手順の一例を示す図である。
【図5】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、フィールド拡散工程でのO2ガスの微小リークに起因するデバイス不良箇所の一例を示すデバイス断面図である。
【図6】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、フィールド拡散工程でのO2ガスのリーク量と半導体ウェハ内の結晶欠陥数との関係の一例を示す図である。
【図7】本発明の一実施の形態の半導体装置の製造方法において、O2ガスのリーク量と時系列的な圧力低下の関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
1 ヒータールーム
2 メインコントローラ部
3 クリーンベンチ
4 フロントスカベンジャ
5 リヤスカベンジャ
6 ガス供給部
7 水素検知器
8 ソフトランディング
10 ガス供給源
11 石英チューブ
12 酸化膜
13 結晶欠陥
AV1〜11 エアバルブ
FM1,2 フローメータ
MFC1〜5 マスフローコントローラ
MFM マスフローメータ
R1〜3 レギュレータ
F1〜3 フィルタ
P1〜3 圧力センサ
Claims (5)
- ガス供給源よりガス配管を通して反応炉にガスを供給し、前記反応炉において半導体装置の熱処理を行う半導体製造装置であって、
前記ガス配管は、
前記ガス供給源側に設けられた第1のエアバルブと、
前記反応炉側に設けられた第2のエアバルブと、
前記第1のエアバルブと前記第2のエアバルブの間に設けられた圧力計測ユニットとを有することを特徴とする半導体製造装置。 - ガス供給源よりガス配管を通して反応炉にガスを供給し、前記反応炉において半導体装置の熱処理を行う半導体製造装置であって、
前記ガス配管は、
前記ガス供給源側に設けられた第1のエアバルブと、
前記反応炉側に設けられた第2のエアバルブと、
前記第1のエアバルブと前記第2のエアバルブの間に設けられた流量制御ユニットと、
前記第2のエアバルブと前記反応炉の間に設けられた流量計測ユニットとを有することを特徴とする半導体製造装置。 - 請求項1または2記載の半導体製造装置であって、
前記ガス供給源のガスは、酸素ガスであることを特徴とする半導体製造装置。 - 請求項1または3記載の半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
前記第1のエアバルブと前記第2のエアバルブを閉じ、前記圧力計測ユニットでの計測によって前記第2のエアバルブのリークを検出する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項2または3記載の半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
前記流量制御ユニットで設定したガスの流量と前記流量計測ユニットで計測したガスの流量を比較することで、前記流量制御ユニットの流量異常を検出する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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- 2003-06-09 JP JP2003163439A patent/JP2004363522A/ja active Pending
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