JP2006339242A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】適正な膜厚制御を行うことが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】成膜用の炉と、炉内に配置された被処理体を炉の炉壁を通して加熱するヒーターと、を含んだ成膜装置を用意する工程と、成膜装置を用いて堆積される堆積膜の膜厚に関する第1の情報値と、炉壁に付着した付着膜に基づく第2の情報値との相関を、堆積膜の種類毎に取得する工程(S2)と、相関に基づいて、被処理体上に堆積される堆積膜の堆積条件を調整する工程(S4)と、調整された堆積条件で被処理体上に堆積膜を堆積する工程(S5)と、を備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
半導体基板上に成膜を行う場合、半導体基板上のみならず、成膜炉の炉壁にも膜が形成される。成膜処理毎に炉壁のクリーニングを行わない場合には、成膜処理回数の増加とともに炉壁に付着した膜の膜厚が増加する。そのため、成膜処理の際に、炉の外側に配置したヒーターによって加熱を行う場合には、炉壁に付着した膜の膜厚が増加するにしたがって加熱効率が悪化する。その結果、ターゲット膜厚からのずれが生じる。
1つの炉で1種類の膜のみを形成する場合には、ある成膜処理で得られたテストピースの膜厚の測定結果を、その次の成膜処理に反映させることで、適正な膜厚制御を行うことが可能である。しかしながら、1つの炉で複数種類の膜を形成する場合には、膜の種類によって成膜条件が異なるため、上記のような膜厚制御を適用することはできない。
公知技術として、例えば特許文献1には、膜厚ばらつきを少なくすることが可能な成膜方法が提案されている。しかしながら、この提案は、1つの炉で複数種類の膜を形成することを前提としたものではない。また、炉壁に付着した膜に起因した問題を解決することを意図したものでもない。
このように、従来は、1つの炉で複数種類の膜を形成する場合に、適正な膜厚制御を行うことが困難であった。そのため、適正な膜厚を有する優れた半導体装置を製造することが困難であった。
特開2003−249491号公報
本発明は、適正な膜厚制御を行うことが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、成膜用の炉と、前記炉内に配置された被処理体を前記炉の炉壁を通して加熱するヒーターと、を含んだ成膜装置を用意する工程と、前記成膜装置を用いて堆積される堆積膜の膜厚に関する第1の情報値と、前記炉壁に付着した付着膜に基づく第2の情報値との相関を、堆積膜の種類毎に取得する工程と、前記相関に基づいて、被処理体上に堆積される堆積膜の堆積条件を調整する工程と、前記調整された堆積条件で被処理体上に堆積膜を堆積する工程と、を備える。
本発明によれば、堆積膜の種類毎に取得した相関に基づいて堆積条件を調整することにより、適正な膜厚制御を行うことができ、優れた半導体装置を製造ことが可能である。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
(実施形態1)
図1は、本実施形態に係る成膜装置(例えば、CVD(chemical vapor deposition)用の成膜装置)の概略を示した図である。なお、後述する第2〜第4の実施形態においても、図1に示したような成膜装置が用いられる。
図1に示した成膜装置10は、バッチ式の成膜装置であり、成膜炉11内に、被処理体として複数の半導体ウェハ(半導体基板)51を配置できるようになっている。成膜炉11の炉壁12の周囲には、ヒーター21が配置されている。炉壁12は透明であるため、ヒーター21からの放射熱(放射光)が炉壁12を通してウェハ51に供給され、ウェハ51が加熱される。成膜炉11内には、図示しないガス導入部から成膜用の原料ガスが導入され、ヒーター21によって加熱された状態で、ウェハ51上に所望の膜が堆積される。
図1に示した成膜装置では、ウェハ51上に膜を堆積するときに、炉壁12にも膜が堆積される。成膜処理毎に炉壁12のクリーニングを行わない場合には、成膜処理回数の増加とともに炉壁12に付着した膜の膜厚が増加する。そのため、炉壁12に付着した膜の膜厚が増加するにしたがって、ヒーター21によるウェハ51の加熱効率は悪化する。その結果、ウェハ51上に堆積される膜の膜厚が、所望の膜厚(ターゲット膜厚)からずれてしまうという問題が生じる。したがって、1つの炉11で複数種類の膜を形成する場合には、膜の種類によって成膜条件が異なるため、適正な膜厚制御を行うことはできない。
そこで、本実施形態では、所望の膜厚が得られるように、以下のような方法によって成膜を行うようにしている。
図2は、本実施形態における成膜方法の概略を示したフローチャートである。なお、後述する第2〜第4の実施形態においても、基本的なフローは図2のフローチャートと同様である。
まず、炉壁12をクリーニングした後(S1)、成膜装置10を用いて堆積される堆積膜の膜厚に関する第1の情報値と、炉壁12に付着した付着膜に基づく第2の情報値との相関を、堆積膜の種類毎に取得する(S2)。本実施形態では、第2の情報値は、炉壁12に付着した付着膜の膜厚に関する情報値を含んでいる。具体的には、例えば以下のようにして相関を取得する。
テストピースとしてのウェハを炉11内に配置し、各成膜処理において各テストピース上に堆積された堆積膜の膜厚と、炉壁12に付着した付着膜の膜厚(炉壁12をクリーニングした後のトータル膜厚)との関係を求める。図3は、その一例を示した図である。
図3に示した例では、クリーニング終了後から次のクリーニング開始前まで、3種類の膜A、B及びC(A、B及びCは膜の種類を表す)を、それぞれの成膜レシピにしたがって堆積している。膜Aのターゲット膜厚は50nm、膜Bのターゲット膜厚は70nm、膜Cのターゲット膜厚は160nmである。各テストピース上の堆積膜の膜厚は、膜厚測定器で測定する。炉壁12に付着した付着膜のトータル膜厚(膜A、B及びCのトータル膜厚)は、ターゲット膜厚を加算することで求める。例えば膜Aに着目すると、炉壁12の付着膜の膜厚が増加するにしたがって、テストピース上の堆積膜の膜厚が減少している。これは、炉壁12に付着した膜の膜厚が増加するにしたがって、ヒーター21からの放射光(放射熱)の透過率が減少し、ヒーター21によるウェハ51の加熱温度が低下するためである。
このようにして得られた測定結果に基づき、膜A、B及びCそれぞれについて、テストピース膜厚と、炉壁付着膜厚(膜A、B及びCのトータル膜厚)との相関を求める。図4(a)は膜Aについての相関、図4(b)は膜Bについての相関、図4(c)は膜Cについての相関を示した図である。上述したことからわかるように、炉壁12に付着した付着膜53の膜厚が増加すると、炉内の温度が低下し、成膜レートが減少する。すなわち、図4(d)に示すように、成膜(堆積)回数が増加すると、炉壁付着膜厚が増加し、ウェハ(テストピース)上の膜厚が減少する。その結果、図4(a)、図4(b)及び図4(c)に示すような相関が得られる。なお、膜B及び膜Cは膜Aに比べて、テストピース膜厚の減少率が小さくなっている。これは、膜B及び膜Cは膜Aに比べて、堆積レートの堆積温度依存性が小さいためである。得られた相関データは、制御装置(図示せず)の記憶部に格納される。
このようにして、膜A、膜B及び膜Cそれぞれについて相関データを取得した後、炉壁12をクリーニングして、炉壁12に付着した膜を除去する(S3)。その後、取得した相関データを利用して、ワークピースとしてのウェハ上に膜A、膜B或いは膜Cを堆積する。すなわち、取得した相関に基づいて、ウェハ51上に堆積される堆積膜(膜A、膜B或いは膜C)の堆積条件を成膜処理毎に調整し(S4)、調整された堆積条件でウェハ51上に膜を堆積する(S5)。堆積膜の堆積条件を調整する際には、堆積時間を調整し、堆積時間以外の堆積条件は予め決められた条件を維持する。すなわち、テストピースに用いた成膜レシピと同様の成膜レシピにしたがって、膜A、膜B或いは膜Cを堆積する。以下、一例をあげて説明する。
例えば、膜Bの成膜処理を行う際に、それまでの成膜処理によって炉壁12にトータル厚さ300nmの膜が付着しているとする。そこで、膜Bの成膜開始前に、図4(b)に示した膜Bについての相関から、炉壁12の付着膜厚が300nmのときのテストピース膜厚を読み取る。このとき、例えば、テストピース膜厚が72nmで、成膜時間が36分であるとすると、膜Bの成膜レートは2nm/分となる。したがって、膜Bのターゲット膜厚が70nmであるとすると、成膜時間を35分に調整することで、所望のターゲット膜厚(70nm)を得ることができる。すなわち、1回の成膜処理では成膜レートが一定であると仮定し、相関から得られる成膜開始時の成膜レートを用いて、所望のターゲート膜厚が得られるように成膜時間を調整している。
このようにして、成膜処理毎に、相関データに基づいて調整された堆積時間で、膜A、膜B或いは膜Cの堆積を行う。炉壁に付着した膜の膜厚が所定値に達した段階で、炉壁12のクリーニングを行う(S6)。
このように、本実施形態では、堆積膜の種類毎に予め相関データを取得しておき、相関データに基づいてウェハ(ワークピース)上に堆積される堆積膜の堆積条件を調整する。したがって、同一の炉11で複数種類の膜(膜A、膜B及び膜C)を形成する場合に、調整された適正な膜厚で、ウェハ上に膜(膜A、膜B或いは膜C)を堆積することができる。その結果、適正に膜厚が制御された、性能に優れた半導体装置を製造することが可能である。
また、本実施形態では、炉壁12に付着した付着膜に基づく情報値(パラメータ)として、炉壁12に付着した付着膜の膜厚を用いている。この付着膜の膜厚は、例えばターゲット膜厚のトータル値として容易に取得することができるため、パラメータの取得が極めて容易である。
なお、上述した実施形態において、テストピース上の堆積膜の膜厚データの取得(相関データの取得)は、専用の工程で行ってもよいが、ワークピース上に堆積膜を形成する工程で行ってもよい。すなわち、ワークピース上に堆積膜を形成する際に、炉11内にテストピースも配置しておくようにしてもよい。これにより、クリーニング後から次のクリーニング前までの一連の処理において、ワークピース上への堆積膜の形成処理と、テストピース上の堆積膜の膜厚取得処理とが平行して行われる。このようにして取得されたテストピース上の堆積膜の膜厚データを用いて、制御装置の記憶部に記憶された相関データを更新するようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、相関を規定する第1の情報値として、テストピースの膜厚そのものを用いたが、例えば成膜レート等の堆積膜の膜厚に関する値を第1の情報値として用いてもよい。また、上述した実施形態では、相関を規定する第2の情報値として、炉壁12に付着した付着膜の膜厚そのものを用いたが、付着膜の膜厚に関するものであれば第2の情報値として用いることが可能である。
また、上述した実施形態では、成膜装置10としてバッチ式の成膜装置を例に説明したが、枚葉式の成膜装置を用いた場合にも、上述した方法は適用可能である。
(実施形態2)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。成膜装置の基本的な構成や、基本的な処理ステップは、第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態で述べた事項は、特に断らない限り、本実施形態にも適用可能である。以下では、主として第1の実施形態と異なる事項について説明する。
第1の実施形態では、相関を規定する第2の情報値として、炉壁12に付着した付着膜の膜厚に関する情報値を用いたが、本実施形態では、第2の情報値として、炉11内の温度と炉11外の温度との温度差に関する情報値を用いる。
第1の実施形態のように、炉壁12に付着した付着膜の膜厚を第2の情報値として用いた場合、以下のような状況が生じ得る。膜A、膜B及び膜Cの透過率は、一般的にはある程度、互いに異なっている。また、炉壁12には、そのような透過率が互いに異なる膜A、膜B及び膜Cが混在して付着している。したがって、炉壁12に付着した付着膜の膜厚が同じであっても、付着膜の透過率は一定とは限らない。すなわち、付着膜のトータル膜厚が同じであっても、ウェハ51の加熱温度には多少の相違が生じ得る。したがって、第1の実施形態のように、炉壁12に付着した付着膜の膜厚を第2の情報値として用いた場合には、第2の情報値の取得は容易であるが、ウェハ上に堆積される膜の膜厚には多少の誤差が生じるおそれがある。本実施形態では、以下のような方法を用いることで、ウェハ上に堆積される膜の膜厚誤差を低減することが可能である。
本実施形態では、図5に示すように、炉11の内側及び外側にそれぞれ、温度検出素子31及び32を配置している。53は炉壁12に付着した付着膜である。温度検出素子31及び32には、熱電対を用いる。
図2のステップS2で、第1の情報値と第2の情報値の相関を取得する際に、本実施形態では、温度検出素子31で検出された温度と温度検出素子32で検出された温度との温度差を、第2の情報値として取得する。図6(a)は膜Aについての相関、図6(b)は膜Bについての相関、図6(c)は膜Cについての相関を示した図である。炉壁12に付着した付着膜53の膜厚が増加すると、炉内の温度が低下し、成膜レートが減少する。すなわち、図6(d)に示すように、成膜(堆積)回数が増加すると、炉内と温度と炉外の温度との温度差が増加し、ウェハ(テストピース)上の膜厚が減少する。その結果、図6(a)、図6(b)及び図6(c)に示すような相関が得られる。
得られた相関に基づき、第1の実施形態と同様にして、ウェハ51上に堆積される堆積膜(膜A、膜B或いは膜C)の堆積条件を成膜処理毎に調整する(S4)。すなわち、成膜処理の際に、温度検出素子31で検出された温度と温度検出素子32で検出された温度との温度差を測定し、図6(a)、図6(b)或いは図6(c)の相関データを参照して、測定された温度差に応じて成膜時間を調整する。この場合も、第1の実施形態と同様、1回の成膜処理では成膜レートが一定であると仮定し、相関から得られる成膜開始時の成膜レートを用いて、所望のターゲート膜厚が得られるように成膜時間を調整している。さらに、調整された成膜時間でウェハ51上に膜を堆積する(S5)。
このように、本実施形態においても第1の実施形態と同様、堆積膜の種類毎に予め相関データを取得しておき、相関データに基づいてウェハ(ワークピース)上に堆積される堆積膜の堆積条件を調整する。したがって、第1の実施形態と同様に、適正に膜厚が制御された、優れた半導体装置を製造することが可能である。
また、本実施形態では、相関を規定する第2の情報値として、炉11内の温度と炉11外の温度との温度差を用いている。したがって、膜の種類によって透過率が異なる場合であっても、ウェハを適正な温度で加熱することができ、厳密な膜厚制御を行うことが可能である。
なお、上述した実施形態では、相関を規定する第2の情報値として、炉11内の温度と炉11外の温度との温度差そのものを用いたが、温度差に関するものであれば第2の情報値として用いることが可能である。
(実施形態3)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。成膜装置の基本的な構成や、基本的な処理ステップは、第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態で述べた事項は、特に断らない限り、本実施形態にも適用可能である。以下では、主として第1の実施形態と異なる事項について説明する。
本実施形態では、相関を規定する第2の情報値として、付着膜が付着した炉壁の透過率に関する情報値を用いる。以下、具体的に説明する。
本実施形態では、図7に示すように、炉11内に赤外線照射/検出装置34を配置している。
図2のステップS2で、第1の情報値と第2の情報値の相関を取得する際に、本実施形態では、赤外線照射/検出装置34により炉壁12に対する赤外線の照射及び検出を行い、その検出結果から得られる赤外線透過率を第2の情報値として用いる。図8(a)は膜Aについての相関、図8(b)は膜Bについての相関、図8(c)は膜Cについての相関を示した図である。炉壁12に付着した付着膜53の膜厚が増加すると、赤外線透過率は減少し、成膜レートが減少する。すなわち、図8(d)に示すように、成膜(堆積)回数が増加すると、赤外線透過率が減少し、ウェハ(テストピース)上の膜厚が減少する。その結果、図8(a)、図8(b)及び図8(c)に示すような相関が得られる。
得られた相関に基づき、第1の実施形態と同様にして、ウェハ51上に堆積される堆積膜(膜A、膜B或いは膜C)の堆積条件を成膜処理毎に調整する(S4)。すなわち、成膜処理の際に、赤外線照射/検出装置34によって検出された赤外線に基づいて赤外線透過率を求め、図8(a)、図8(b)或いは図8(c)の相関データを参照して、赤外線透過率に応じて成膜時間を調整する。この場合も、第1の実施形態と同様、1回の成膜処理では成膜レートが一定であると仮定し、相関から得られる成膜開始時の成膜レートを用いて、所望のターゲート膜厚が得られるように成膜時間を調整している。さらに、調整された成膜時間でウェハ51上に膜を堆積する(S5)。
このように、本実施形態においても第1の実施形態と同様、堆積膜の種類毎に予め相関データを取得しておき、相関データに基づいてウェハ(ワークピース)上に堆積される堆積膜の堆積条件を調整する。したがって、第1の実施形態と同様に、適正に膜厚が制御された、優れた半導体装置を製造することが可能である。
また、本実施形態では、相関を規定する第2の情報値として、付着膜が付着した炉壁の透過率に関する情報値を用いている。したがって、第2の実施形態と同様に、膜の種類によって透過率が異なる場合であっても、ウェハを適正な温度で加熱することができ、厳密な膜厚制御を行うことが可能である。
なお、上述した実施形態では、相関を規定する第2の情報値として、付着膜が付着した炉壁の透過率そのものを用いたが、透過率に関するものであれば第2の情報値として用いることが可能である。
(実施形態4)
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。成膜装置の基本的な構成や、基本的な処理ステップは、第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態で述べた事項は、特に断らない限り、本実施形態にも適用可能である。以下では、主として第1の実施形態と異なる事項について説明する。
本実施形態では、相関を規定する第2の情報値として、ウェハを加熱するヒーターのパワーに関する情報値を用いる。以下、具体的に説明する。
本実施形態では、図9に示すように、炉11内に配置されたウェハの温度を検出するために、炉11の内側に温度検出素子(熱電対)36を配置している。この温度検出素子36は、石英管で形成された透明な壁部37と壁部37内に設けられた検出部38とを有している。ヒーター21にはパワー制御部23が接続されており、検出部38の温度が一定となるようにヒーター21のパワーが制御される。
図2のステップS2で、第1の情報値と第2の情報値の相関を取得する際に、本実施形態では、パワー制御部23によって制御されるヒーター21のパワーを、第2の情報値として取得する。図10(a)は膜Aについての相関、図10(b)は膜Bについての相関、図10(c)は膜Cについての相関を示した図である。
ヒーター21のパワーは、温度検出素子36の検出部38の温度が一定となるように制御されている。炉壁12上の付着膜53の膜厚が増加すると、ヒーター21からの放射熱がウェハに到達し難くなるため、ヒーター21のパワーは増加する。検出部38の温度と炉11内に配置されたウェハの温度とが完全に一致していれば、ヒーターパワーが増加しても、ウェハ(テストピース)上の堆積膜の膜厚は一定である。しかしながら、炉壁12上の付着膜53の膜厚が増加すると、必然的に温度検出素子36の壁部37上の付着膜55の膜厚も増加する。そのため、実際には、温度検出素子36の検出部38の温度は、ウェハの温度よりも低くなる。したがって、壁部37上の付着膜55の膜厚が増加すると(炉壁12上の付着膜53の膜厚が増加すると)、ヒーター21が過度に加熱されるこことなり、ヒーター21によって加熱されるウェハの温度は実際には増加する。その結果、ウェハ上の堆積膜の膜厚も増加することになる。すなわち、図10(d)に示すように、成膜(堆積)回数が増加すると、ヒーターパワーが増加し、ウェハ(テストピース)上の膜厚が増加する。以上の理由により、図10(a)、図10(b)及び図10(c)に示すような相関が得られることとなる。
得られた相関に基づき、第1の実施形態と同様にして、ウェハ51上に堆積される堆積膜(膜A、膜B或いは膜C)の堆積条件を成膜処理毎に調整する(S4)。すなわち、成膜処理の際に、パワー制御部23によって制御されるヒーター21のパワーを求め、図10(a)、図10(b)或いは図10(c)の相関データを参照して、ヒーターパワーに応じて成膜時間を調整する。この場合も、第1の実施形態と同様、1回の成膜処理では成膜レートが一定であると仮定し、相関から得られる成膜開始時の成膜レートを用いて、所望のターゲート膜厚が得られるように成膜時間を調整している。さらに、調整された成膜時間でウェハ51上に膜を堆積する(S5)。
このように、本実施形態においても第1の実施形態と同様、堆積膜の種類毎に予め相関データを取得しておき、相関データに基づいてウェハ(ワークピース)上に堆積される堆積膜の堆積条件を調整する。したがって、第1の実施形態と同様に、適正に膜厚が制御された、優れた半導体装置を製造することが可能である。
また、本実施形態では、相関を規定する第2の情報値として、ヒーターパワーに関する情報値を用い、上述したような制御を行っている。したがって、温度検出素子の温度とウェハの温度が異なっていても、ウェハを適正な温度で加熱することができ、厳密な膜厚制御を行うことが可能である。
なお、上述した実施形態では、相関を規定する第2の情報値としてヒーターパワーそのものを用いたが、ヒーターパワーに関するものであれば第2の情報値として用いることが可能である。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
本発明の第1〜第4の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示した図である。 本発明の第1〜第4の実施形態に係る成膜方法の概略を示したフローチャートである。 本発明の第1の実施形態に係り、相関の取得方法を説明するための図である。 本発明の第1の実施形態に係り、相関の一例を示した図である。 本発明の第2の実施形態に係り、相関の取得方法を説明するための図である。 本発明の第2の実施形態に係り、相関の一例を示した図である。 本発明の第3の実施形態に係り、相関の取得方法を説明するための図である。 本発明の第3の実施形態に係り、相関の一例を示した図である。 本発明の第4の実施形態に係り、相関の取得方法を説明するための図である。 本発明の第4の実施形態に係り、相関の一例を示した図である。
符号の説明
10…成膜装置 11…成膜炉 12…炉壁
21…ヒーター 23…パワー制御部
31、32…温度検出素子 34…赤外線照射/検出装置
36…温度検出素子 37…壁部 38…検出部
51…半導体ウェハ 53…炉壁上の付着膜 55…壁部上の付着膜

Claims (6)

  1. 成膜用の炉と、前記炉内に配置された被処理体を前記炉の炉壁を通して加熱するヒーターと、を含んだ成膜装置を用意する工程と、
    前記成膜装置を用いて堆積される堆積膜の膜厚に関する第1の情報値と、前記炉壁に付着した付着膜に基づく第2の情報値との相関を、堆積膜の種類毎に取得する工程と、
    前記相関に基づいて、被処理体上に堆積される堆積膜の堆積条件を調整する工程と、
    前記調整された堆積条件で被処理体上に堆積膜を堆積する工程と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記堆積膜の堆積条件は堆積時間を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第2の情報値は、前記付着膜の膜厚に関する情報値を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第2の情報値は、前記炉内の温度と炉外の温度との温度差に関する情報値を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第2の情報値は、前記付着膜が付着した炉壁の透過率に関する情報値を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第2の情報値は、前記ヒーターのパワーに関する情報値を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
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