JP2007173334A - 半導体熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数ウエハを処理する半導体熱処理装置内の膜厚分布の均一性を向上するとともに、条件出しを容易にできる半導体熱処理装置を提供する。
【解決手段】装置内の温度を測定する温度センサ３と、処理条件入力手段５と、許容膜厚範囲入力手段９と、熱処理装置により処理した半導体ウエハの膜厚測定値を入力する膜厚測定結果入力手段７と、温度センサ３が取得した温度データと膜厚測定値をもとに膜厚分布を予測する成膜モデルを生成するモデル生成部１１と、成膜モデルをもとに予測した膜厚分布と許容膜厚範囲を比較して膜厚が許容範囲に入る処理条件を探索する推奨条件探索部１３を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置や熱酸化装置などの半導体熱処理装置に係り、特に、膜厚分布を予測する機能を備えた半導体熱処理装置に関する。

近年、半導体ウエハは大口径化する一方、半導体デバイスの寸法は微細化しており、大面積に均一な薄膜を成膜することが要求されている。また、複数の半導体ウエハを一度に成膜するバッチ式装置では、装置内で化学反応が進行するため、ガス導入部から排気部にかけて、各ガスの分圧が均一ではない。そのため、半導体ウエハ上に成膜される膜厚も不均一になりやすく、すべての半導体ウエハの膜厚を均一にするための処理条件を見つけ出すことはむずかしく、非常に労力と時間のかかる作業となっている。

このため、たとえば、特許文献１では、処理温度と膜厚測定結果を元に、膜厚を略同一となるよう設定温度プロファイルを修正する工程を具備した熱処理装置の制御条件決定方法が開示されている。

特開２００２−４３３００号公報

前記特許文献１の方法では、圧力やガス流量などの処理条件を変えたときに、これらの処理条件が膜厚分布に与える影響を考慮していない。圧力やガス流量を変えると、装置内を流れるガスの流速が変化するため、各ガス分圧の分布が変化し、その結果、膜厚分布が変化する。前記特許文献１の方法では、これらが考慮されていないため、処理条件を変えた場合、膜厚を均一にするための設定温度プロファイルを求めるための新たな実験が必要となる。

さらに、リンやボロン、砒素などの不純物をドーピングしながらシリコン膜を成膜する場合、成膜速度が膜中不純物濃度に応じて変化することが知られている。具体的には、リンや砒素では、膜中不純物濃度が増加すると成膜速度が遅くなり、ボロンでは、逆に膜中不純物濃度が増加すると成膜速度が速くなる。そのため、膜厚を均一にする温度プロファイルを求めるためには、不純物の膜中濃度分布を予測する必要がある。しかし、前記特許文献１のように、処理温度と膜厚測定結果の情報だけでは、不純物の膜中濃度分布を予測することができず、膜厚分布を予測できない。そのため、前記特許文献１の方法は、不純物ドープ膜の成膜処理には適用できない。

本発明は、上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
複数の半導体ウエハを熱処理するバッチ式熱処理装置において、装置内の温度を測定するセンサと、処理の種類、処理時間、処理圧力、ガスの種類、各ガスの流量、半導体ウエハの設置位置の情報を取り込む処理条件入力手段と、許容膜厚範囲入力手段と、前記熱処理装置により処理した半導体ウエハの膜厚測定値を入力する膜厚測定結果入力手段と、前記半導体ウエハに形成される膜厚を予測するために、前記温度センサが取得した温度データと前記膜厚測定値と前記複数の処理条件に基づいて成膜モデルを作成するモデル生成部と、前記成膜モデルを用いて処理条件を変えて熱処理した場合の半導体ウエハに形成される膜厚を予測し前記許容膜厚範囲に入る処理条件を探索する推奨条件探索部を備えた。不純物をドーピングしながら成膜する場合には、膜中不純物濃度測定結果入力手段も備え、
前記温度データと前記膜厚測定値と前記処理条件と前記膜中不純物濃度測定値をもとに成膜モデルを生成する。前記成膜モデルは、各ガスの気相反応定数と表面付着確率から成り、どちらも温度の関数とする。不純物ドープ膜の成膜処理の場合には、前記付着確率を膜中不純物濃度の関数とすることができる。半導体ウエハ上の膜厚は、移流項を含んだ拡散方程式を解いて求める。

本発明によれば、温度分布と膜厚測定値に加え、処理の種類、処理時間、処理圧力、ガスの種類、各ガスの流量、半導体ウエハの設置位置の情報も取り込んで成膜モデルを構築し、その成膜モデルを用いて、処理条件を変えた場合の膜厚を、移流項を含んだ拡散方程式を解いて予測する。そのため、膜厚予測精度が向上するとともに、温度だけでなく、処理圧力やガスの流量、半導体ウエハの設置位置などの条件を変えた場合の膜厚も予測できる。また、不純物をドープする成膜においては、上記成膜条件の情報に加え、膜中不純物濃度の測定値も取り込み、膜中不純物濃度の予測モデルも構築する。そのため、処理条件を変えた場合の膜中不純物濃度の予測ができ、膜中不純物濃度によって変化する膜厚の予測が可能である。さらに、構築した成膜モデルを用いて、ウエハに形成される膜厚を目標の膜厚範囲内に収めるための条件を探索することができる。その結果、条件出しの時間と労力が軽減される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体熱処理装置を示す図である。図において、半導体熱処理装置１には、膜厚分布予測装置２が備えられている。

半導体熱処理装置１の内部には、温度センサ３を設置する。図６は、半導体熱処理装置１の一例である。石英チューブ６１内に半導体ウエハ６２を複数枚設置し、ヒータ６５によって加熱する。前記ヒータ６５は、各ヒータに対応した温度センサ３の温度が、設定温度となるように調整する。ガスは、ガス導入口６３から導入し、ガス排気口６４から排気する。ガスの種類が複数ある場合は、ガス導入口６３が複数になることもある。

次に、膜厚分布予測装置２の詳細を以下に示す。膜厚分布予測装置２は、〔１〕各種データの入力・保存部と、〔２〕成膜モデルを生成するモデル生成部と、〔３〕膜厚を均一にする条件を探索する推奨温度探索部、の大きく分けて３つの部分から成っている。

まず、〔１〕各種データの入力・保存部には、温度データ保存部４、処理条件入力手段５、膜厚測定結果入力手段７、許容膜厚範囲入力手段９がある。
温度データ保存部４では、処理中に温度センサ３で測定した値を保存する。

処理条件入力手段５では、膜種、処理時間、処理圧力、ガスの種類、各ガスの流量、半導体ウエハの設置位置を入力する。これらの処理条件は、図１には記載していない半導体熱処理装置１の制御装置から読み込むこともできるし、フロッピーディスクやフラッシュメモリ、ＣＤＲＯＭなど、可搬媒体に記録された情報を読み取る装置とすることもできる。入力した処理条件は、処理条件保存部６に保存する。

処理の終わったウエハのうち、何枚かのモニタウエハについて、処理装置の外部の膜厚測定装置により、膜厚を測定する。膜厚測定結果は、膜厚測定結果入力手段７から入力する。入力は、フロッピーディスクやフラッシュメモリ、ＣＤＲＯＭなど、可搬媒体に記録された情報を読み取る装置とすることができる。入力した膜厚測定結果は、膜厚測定結果保存部８に保存する。

許容膜厚範囲入力手段９では、許容できる膜厚範囲を入力する。許容膜厚範囲についても、可搬媒体に記録された情報を読み取る装置とすることができる。入力した許容膜厚範囲は、許容膜厚範囲保存部１０に保存する。

次に、〔２〕成膜モデルを生成するモデル生成部１１では、処理条件保存部６、膜厚測定結果保存部８、温度データ保存部４、許容膜厚範囲保存部１０からそれぞれのデータを読み取り、成膜反応のモデルを生成する。具体的には、各原料ガスの気相反応定数と表面付着確率を求める。ここで、気相反応定数や表面付着確率のことを、まとめて反応速度式とも言う。図７に成膜反応モデルの例を示す。図７のモデルは、原料ガスであるガス１０が、気相で反応してガス１１になり、それぞれが表面に付着して膜となる場合を示している。

原料ガスによっては、気相反応しない場合もあるし、逆に、気相反応で生成されたガスが、さらに気相反応を起こす場合もある。ここで、気相反応定数κ_ｎと、各ガスの表面付着確率η_ｎは、一般的に、次の式（数１）、（数２）で表される。

Ａ_κｎとＡ_ηｎ頻度因子、Ｅ_κｎとＥ_ηｎは活性化エネルギー、Ｒは気体定数、Ｔは温度である。モデル生成部１１では、温度Ｔには温度センサが測定した温度を与え、実際の膜厚分布を再現する頻度因子Ａ_κｎＡ_ηｎを求める。活性化エネルギーＥ_κｎＥ_ηｎは、実験や量子化学計算から求めることができ、その値をモデル保存部１２にデータベースとして登録してある。登録されていないガスの場合は、作業者が値を入力する。また、頻度因子Ａ_κｎＡ_ηｎをいろいろと変化させても実際の膜厚を再現できない場合は、活性化エネルギーＥ_κｎＥ_ηｎを変えて実際の膜厚分布を再現する反応速度式とする。

不純物ドープシリコン膜の場合には、ＳｉＨ_４やＳｉ_２Ｈ_６などシリコンを含んだガスの付着確率η_ｎｄは、次の式（数３）で表されることを我々は新たに見出した。

Ａ_ηｎＢ_ηｎは頻度因子、Ｃ_ｄｏｐｅは膜中不純物濃度、Ｅ_２ηｎは活性化エネルギーである。式（数３）を用いる場合は、膜中不純物濃度Ｃ_ｄｏｐｅには実際の測定値を入力し、活性化エネルギーＥ_２ηｎはデータベースの値を用いて、実験の膜厚分布を再現するように、頻度因子Ａ_ηｎＢ_ηｎを決める。

以下に、モデル生成部１１での具体的な処理を説明する。
図２は、モデル生成部１１におけるモデル作成処理を説明するフローチャートである。

まず、処理条件保存部６より処理条件の読み込み（ステップ２０１）、膜厚測定結果保存部８より膜厚測定結果の読み込み（ステップ２０２）、許容膜厚範囲保存部１０より許容膜厚範囲の読み込み（ステップ２０３）を行い、モデルを作成する処理へと進む。モデル作成処理では、まず、読み込んだ膜厚測定結果の値を、処理時間で割り、成膜速度分布に変換する（ステップ２０６）。処理時間は、処理条件保存部６の中に記載されている。次に、モデル保存部１２内のデータベースから、処理の種類とガス種に適応する初期成膜モデルを読み込む（ステップ２０７）。適応するモデルが複数個ある場合は、作業者が指定する。また、新たなモデルを追加することもできる。

次に、以上のデータと初期成膜モデルを用い、処理装置内の各ガスの濃度分布を、移流項を含んだ拡散方程式（数４）を有限要素法で解いて求める。

ここで、ｕはガス流速、χ_ｉはガスｉの濃度（モル分率）、ｚは流れ方向の座標、Ｄ_ｉはガスｉの拡散係数、バーν_ｉはガスｉの平均分子速度、η_ｉはガスｉの表面付着確率、κ_ｉｊはガスｉがガスｊになる気相反応定数、κ_ｌｉはガスｌがｉになる気相反応定数である。式（数４）の左辺は移流項を示し、右辺第一項は拡散項を、第二項は表面反応によるガスｉの消滅を、第三項は気相反応によるガスｉの消滅を、第四項はガスｌの気相反応によるガスｉの生成を示す項である。

本実施例では、計算時間を短くするために、式（数４）の拡散方程式を流れ方向とウエハ面間に分けて、それぞれ一次元拡散方程式として解く。しかし、一次元に限るものではなく、２次元や３次元の拡散方程式を解いてもよい。ここで、流れ方向というのは、図６のウエハ６２の端と石英チューブ６１壁の間の空間のことを意味し、ウエハ面間とは、ウエハ６２と隣のウエハ６２に挟まれた空間のことを意味する。ウエハ面間と流れ方向の濃度を、それぞれ交互に解き、両方で求めたウエハ端での濃度が一致するまで繰り返し計算を行う。具体的には、まず、流れ方向について濃度の初期値を設定（ステップ２０８）した後、ウエハ面間の濃度分布を計算（ステップ２０９）し、ここで出てきた新たな各ウエハ端部の濃度を用いて、流れ方向の濃度を計算する（ステップ２１０）。ステップ２０９で出てきたウエハ端濃度とステップ２１０で出てきたウエハ端濃度を比べ、その値が一致しているかどうかを判定し（ステップ２１１）、一致するまでステップ２０９とステップ２１０を繰り返す。このようにして濃度χ_ｉが求まったなら、その値を用いて半導体ウエハに形成される単位時間あたりの膜厚、つまり成膜速度を計算する（ステップ２１２）。成膜速度ＤＲは、式（数５）によって、求められる。

ここで、Ｍは膜の分子量、ρは膜密度、Ｃは定数、Ｐは圧力、Ｔは温度、バーν_ｉはガスｉの平均分子速度、η_ｉはガスｉの表面付着確率、χ_ｉはガスｉの濃度（モル分率）である。

次に、以上の初期成膜モデルを用いて求めた成膜速度が、実際の処理で得られた成膜速度と一致しているかどうかを判定する（ステップ２１３）。一致していない場合は、初期成膜モデルの頻度因子や活性化エネルギーを変えて（ステップ２１４）、ステップ２０９からステップ２１３を行う。成膜速度分布が膜厚測定結果の成膜速度分布と一致する反応速度式が求められたら、その反応速度式を新たな成膜モデルとしてモデル保存部１２へ登録する（ステップ２１５）。以上のように、モデル生成部１１では、各ガスの気相反応定数と付着確率を温度Ｔの関数として決定する。

最後に、〔３〕膜厚を均一にする条件を探索する推奨温度探索部では、上記で求めた各ガスの気相反応定数と付着確率の式（数１）（数２）あるいは（数３）を用い、温度Ｔを変えて拡散方程式（数４）を解き、膜厚が許容範囲に入るようにするには、どのように温度Ｔを設定すればよいかを調べる。

図３は、推奨温度探索部１３での処理を示すフローチャートである。まず、モデル保存部より成膜モデルを読み込む（ステップ３０１）。次に、膜厚分布を改善するための新たな温度分布を設定する（ステップ３０２）。以下の例では、温度分布だけを新たなものにし、処理圧力や各ガス流量など温度以外の条件は変えず、処理装置内の各ガスの濃度分布を、移流項を含んだ拡散方程式を有限要素法で解いて求める。手順はモデル生成部１１で行ったのと同じで、まず、流れ方向の濃度の初期値を設定し（ステップ３０３）、ウエハ面間の濃度を計算（ステップ３０４）後、流れ方向の濃度を計算（ステップ３０５）する。

ステップ３０４とステップ３０５で求めたウエハ端の濃度が許容範囲で一致しているかどうかを判定し（ステップ３０６）、一致するまでステップ３０４と３０５を繰り返す。その後、求まった濃度分布を用いて成膜速度分布を計算し（ステップ３０７）、その分布が許容範囲内であるかどうかを判定する（ステップ３０８）。許容範囲に入っていない場合は、新たな温度分布を設定し（ステップ３１０）、ステップ３０４から３０８を繰り返す。

成膜速度分布が、許容範囲内に入った場合は、その時の設定温度を保存する（ステップ３１１）。しかし、あらかじめ設定した最高繰り返し回数まで繰り返しても成膜速度分布が許容範囲内にはいらなかった場合は、その旨を保存するとともに、膜厚分布予測値表示部にも表示して終了する。この場合は、温度を変えただけでは、許容の膜厚分布が得られないことを意味する。したがって、図１の処理条件案入力手段１６から、温度以外の処理条件を変えた条件を入力し、その条件を用いて、再度、推奨温度探索部１３の処理をやり直す。成膜速度分布が許容範囲に入った場合は、その成膜速度分布、あるいは膜厚分布に換算した値と、求めた推奨温度分布と、その他の成膜条件を膜厚分布予測値表示部１５に表示すると共に保存する。

図１の処理条件設定部１４では、処理装置１の温度設定部に、上記で求めた推奨温度分布の値を反映させる。
このようにして求めた推奨温度分布で熱処理を行い、許容膜厚範囲にはいるまで、同様のことを繰り返す。その場合、繰り返し熱処理したすべての膜厚測定結果を用いて、成膜モデルを生成することが好ましい。

図４は本発明の第２の実施形態に係わる半導体熱処理装置を示す図である。この実施形態では、推奨温度探索部１３で求めた推奨温度と膜厚分布を、推奨温度と膜厚分布予測値表示部１５に表示するだけで、処理装置１の温度設定を自動で行わないところが、第１の実施形態と異なる点である。

図５は本発明の第３の実施形態に係わる半導体熱処理装置を示す図である。本実施形態では、膜厚測定結果に基づいて成膜モデルの生成は行うが、自動的に推奨温度分布は求めない。その代わり、処理条件案入力手段１６から処理条件を入力し、モデル保存部１２に保存された成膜モデルを用いて、膜厚分布予測部１７で成膜速度分布や膜厚分布を求め、その結果を膜厚分布予測値表示部１５に表示し膜厚分布予測値保存部１８に保存する。もし、求めた膜厚分布が許容膜厚範囲に入っていなかった場合は、新たな処理条件を処理条件案入力手段１６に入力し、再度、膜厚分布予測部１７で膜厚分布を求める。

以上では、複数の半導体ウエハを処理するバッチ式装置について述べたが、1枚の半導体ウエハを処理する枚葉装置にも適用できる。

以上のように、本発明によれば、目標の許容膜厚分布となる熱処理条件を容易に探索することができ、条件出しに必要な実験や時間、労力を減らすことができる。さらに、膜厚均一性を向上させることができる。また、データベースを蓄積することができる。

本発明の第１の実施形態にかかる半導体熱処理装置を示す図である。 成膜モデル生成部の処理フローを示す図である。 推奨温度探索部の処理フローを示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかる半導体熱処理装置を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかる半導体熱処理装置を示す図である。 バッチ式熱処理装置の例を示す図である。 成膜モデルの例を示す図である。

符号の説明

１…半導体熱処理装置
２…膜厚分布予測装置
３…温度センサ
４…温度データ保存部
５…処理条件入力手段
６…処理条件保存部
７…膜厚測定結果入力手段
８…膜厚測定結果保存部
９…許容膜厚範囲入力手段
１０…許容膜厚範囲保存部
１１…成膜モデル生成部
１２…成膜モデル保存部
１３…推奨温度探索部
１４…処理条件設定部
１５…推奨温度、膜厚分布予測値表示装置
１６…処理条件案入力手段
１７…膜厚分布予測部
１８…膜厚分布予測値保存部

Claims (9)

1. 複数の半導体ウエハを熱処理するバッチ式半導体熱処理装置において、装置内の温度を測定する温度センサと、処理時間と処理圧力と各ガス流量の情報を入力する処理条件入力手段と、許容膜厚範囲入力手段と、前記熱処理装置により処理した半導体ウエハの膜厚測定値を入力する膜厚測定結果入力手段を備え、前記半導体ウエハに形成される膜厚を予測するために、前記温度センサが取得した温度データと前記膜厚測定値と前記複数の処理条件に基づいて成膜モデルを作成するモデル生成部と、前記成膜モデルを用いて処理条件を変えて熱処理した場合の半導体ウエハに形成される膜厚を予測し前記許容膜厚範囲に入る処理条件を探索する推奨条件探索部を備えたことを特徴とする半導体熱処理処理装置。
2. 請求項１において、前記推奨条件探索部で求めた処理条件に基づき、熱処理条件を設定する処理条件設定部を備えたことを特徴とする半導体熱処理装置。
3. 請求項１及び請求項２において、前記処理条件入力部は、処理の種類、ガスの種類、半導体ウエハの設置位置の情報を取り込むことを特徴とする半導体熱処理装置。
4. 請求項１から請求項３において、処理条件案入力手段を備え、前記成膜モデルをもとに、前記処理条件案入力手段から入力された処理条件での膜厚分布を予測する膜厚分布予測部を備えたことを特徴とする半導体熱処理装置。
5. 請求項１から請求項４において、前記温度センサデータを保存する温度データ保存部と、前記処理条件を保存する処理条件保存部と、前記許容膜厚範囲を保存する許容膜厚範囲保存部と、前記膜厚測定値を保存する膜厚測定結果保存部と、前記成膜モデルを保存するモデル保存部と、前記膜厚分布予測部で予測した膜厚分布を保存する膜厚分布予測値保存部と、前記膜厚分布を表示する膜厚分布予測値表示部を備えたことを特徴とする半導体熱処理装置。
6. 請求項１から請求項５において、膜中不純物濃度の測定値を入力する膜中不純物濃度測定結果入力手段と、前記膜中不純物濃度測定結果を保存する膜中不純物濃度測定結果保存部を備え、前記温度センサが取得した温度データと前記膜厚測定値と前記処理条件と前記膜中不純物濃度測定値をもとに、前記半導体ウエハに形成される膜厚を予測する成膜モデルを生成するモデル生成部を備えたことを特徴とする半導体熱処理装置。
7. 請求項１から請求項６において、前記成膜モデルは、各原料ガスの気相反応速度と表面付着確率、及び、原料ガスから生成されるガスの気相反応速度と表面付着確率から成り、前記気相反応定数と前記付着確率は温度の関数であることを特徴とする半導体熱処理装置。
8. 請求項７において、前記表面付着確率は膜中不純物濃度の関数であることを特徴とする半導体熱処理装置。
9. 請求項１から請求項７において、前記モデル生成部、前記推奨条件探索部、前記膜厚分布予測部において、移流項を含んだ拡散方程式を解いて成膜速度及び膜厚を求めることを特徴とする半導体熱処理装置。

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