JP2009238997A - 半導体装置の製造方法および半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェハの表面における成膜反応に着目し、成膜反応に用いられたガスが排気されるガス分圧などから半導体ウェハの表面の反応温度などの状態を把握して製造プロセスをより高精度に制御できる半導体装置の製造方法などを提供する。
【解決手段】複数の半導体ウェハを反応管に投入して所定の温度までヒータにより温度上昇を行う加熱工程Ｓ１１と、複数の半導体ウェハの所定の温度に加熱された表面に反応ガスを流す成膜工程Ｓ１２と、反応ガスの反応管の排気部でのガス分圧を測定するガス分圧測定工程Ｓ１３とを備え、測定されたガス分圧に基づき、ヒータに供給する電力を調整することにより温度制御を行い、複数の半導体ウェハの表面に薄膜を作製する方法からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に用いる薄膜の成膜方法などの製造方法およびその薄膜を成膜する半導体製造装置に関する。

高度情報化社会を迎えて、モバイル端末、パソコン、ディジタル家電などの高性能化に不可欠な半導体装置であるシステムＬＳＩは、さらなる高性能化を期待されている。この高性能化を実現する手段の１つとして素子の微細化があげられ、例えばＭＯＳトランジスタのゲート長などのゲート加工幅が１００ｎｍ未満の加工領域で量産が行われるようになっている。このようなシステムＬＳＩに代表される半導体装置の製造工程は、より一層高度な機能要求を満たす半導体装置を量産するためさらなる微細化が常に行われている。

ところで、トランジスタのゲート加工幅が、１００ｎｍから１μｍ程度以上のプロセスルールで行われる半導体装置の製造プロセスにおいては、製造装置の制御部に表示される稼動状態などの製造パラメータについての管理が主に行われていた。すなわち、製造装置の外側から明確に見える装置のパネルに表示されている製造パラメータについての管理が製造プロセスの主たる管理として行われていた。また、このような管理状態で製造装置が正常に動作していれば、例えば、成膜が行われる薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性あるいはプロセスバッチ間の再現性などに関して大きな問題を引き起こすことは多くなかった。

しかしながら、サブミクロンと表現されるゲート加工幅１μｍ以下のプロセスルールで生産が行われる世代に入り、さらにその１／２０前後である６５ｎｍレベル、４５ｎｍレベルのゲート加工幅に向かうに従い、装置のパネルに表示される製造パラメータのみを制御するだけでは所望の薄膜を得ることが難しくなってきた。すなわち、薄膜を成膜する製造プロセスを例にあげると、製造装置内に配置された半導体ウェハを加工する表面のプロセス雰囲気の安定性などを正確に把握する必要がある。また、このような製造プロセスはプロセスバッチごとに実施されるが、これらのプロセスバッチのバッチ処理間の成膜の再現性を保ち、所望の状態を常に再現性よく維持していくことが火急の要件となってきている。このような要求は、さらに５０ｎｍ以下のゲート加工幅のプロセスルールが求められる次世代の半導体装置の量産において主流となる製造プロセスでは必要不可欠な絶対条件となりつつある。

このような薄膜を成膜する製造装置としては、例えば減圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）に代表される拡散炉型のバッチ式熱処理装置が従来から使用されている。近年、このような拡散炉型の熱処理装置に替えて、急熱処理が可能な枚葉処理装置であるＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ）装置が成膜処理の一部として次第に使用されている。しかしながら、ＲＴＰ装置に比べて拡散炉型の熱処理装置は、加熱状態の安定性と再現性がよくて量産時にバッチ処理による半導体ウェハの処理能力が高い。このような総合的なコストパフォーマンスの観点から、開発時はＲＴＰ装置を用いても量産時には従来から使用されている拡散炉型の熱処理装置を使用する場合も多く、将来的に１２インチサイズ以上の３００ｍｍ以上の大口径ウェハの量産においても拡散炉型の熱処理装置は必要不可欠な有用なものであると考えられる。

しかしながら、拡散炉型の熱処理装置は、熱電対などの測温体を直接半導体ウェハに接触させることが難しいため、熱処理中の半導体ウェハ表面での温度を正確に直接的に測定することができない。このことにより、半導体ウェハ上で反応ガスがどれだけ消費されて薄膜が形成されているかを直接的に把握することができないので、薄膜の厚さや組成などを高精度に制御することが難しいという課題があった。

そこで、拡散炉型の熱処理装置においては、一般的に半導体ウェハを処理する石英製の反応管の内部の側壁近傍と反応管の外部の加熱ヒータ内に熱電対を設置して温度を測定するとともに内部の半導体ウェハを加熱する加熱ヒータへの供給電力を制御している。そして、熱電対により測定した温度と供給電力量とから半導体ウェハの温度をこれらの測定データおよび装置の熱的な特性より推定している。

また、半導体ウェハを反応管の内部に入れたのちの内部の温度が急激に下がった状態から成膜反応の反応温度まで短時間に上げるときに、これと同様の温度制御に加えて、温度上昇のために熱処理装置に加える電力値を補正することにより、オーバーシュートなしに反応温度まで短時間に到達する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、予め所定のタイミングにより反応温度を維持する電力値を記憶し、記憶したとき以後の所定のタイミングにより温度上昇のために熱処理装置から出力される電力値との差に基づいて実際に加熱する電力値を補正して温度を精度よく制御している。この例のような工夫をすることにより製造プロセスにおける半導体ウェハの温度制御を精密に行おうとしている。
特開２００４−２００５４８号公報

しかしながら、上記で説明した従来技術においては、反応管の内部と外部のヒータ内の温度を精度よく測定し、この温度のデータに基づいて温度上昇のために加熱する電力値を供給しているものの間接的に制御しているにとどまり、最も制御したい半導体ウェハの表面の温度や表面での成膜反応についての温度を直接的に測定し制御するものではない。したがって、半導体ウェハの表面の成膜反応を高精度に制御できないという課題があった。

本発明は上記課題を解決するもので、半導体ウェハの表面における成膜反応に着目し、成膜反応に用いられた反応ガスが排気されるガス分圧などから半導体ウェハの表面の反応温度などの状態を直接的に把握してその状態のデータを製造プロセスにフィードバックすることにより薄膜の厚さや組成などを高精度に制御できる半導体装置の製造方法および半導体製造装置を提供するものである。

上記目的を達成するために本発明の半導体装置の製造方法は、複数の半導体ウェハを反応管に投入して所定の温度までヒータにより温度上昇を行う加熱工程と、上記複数の半導体ウェハの上記所定の温度に加熱された表面に反応ガスを流す成膜工程と、上記反応ガスの上記反応管の排気部でのガス分圧を測定するガス分圧測定工程とを備え、上記測定されたガス分圧に基づき、ヒータに供給する電力を調整することにより温度制御を行い、上記複数の半導体ウェハの表面に薄膜を作製する方法からなる。

このように、成膜反応後のガス分圧を測定する方法、すなわち成膜反応が行われた結果から温度を把握する方法とすることにより、半導体ウェハの表面で成膜が行われるときの温度を正確に把握することができる。このことにより、この正確に把握した温度を基にヒータの電力を調整することにより反応温度のフィードバックを行うと成膜が行われているときの時間に対する反応温度の変動を小さくすることができ、さらに反応温度を安定化することができる。また、このことにより成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性あるいはプロセスバッチ間の薄膜の厚さの再現性などをさらに精度よく制御することができる。

また、温度制御は、ガス分圧と反応温度とを時系列的に測定した時系列反応データを基に制御部がヒータに供給する電力を調整することにより行う方法としてもよい。

このような方法とすることにより、成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性を高精度に制御することができる。このことにより、成膜された薄膜の内部応力を均一にしてプロセス設計により意図した半導体装置の特性を実現できる成膜が可能となる。また、内部応力を制御することにより、界面剥離やこれに起因したパーティクルを抑制できるので欠陥の少ない薄膜を成膜することができる。

また、温度制御は、ガス分圧と反応温度との反応データを基に制御部がヒータに供給する電力を調整することにより行う方法としてもよい。

このような方法とすることにより、成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性を高精度に制御することができる。

また、ヒータは、反応管の内部を反応ガスが流れる方向に沿って分割された複数の分割ヒータからなり、この分割ヒータに温度検出器がそれぞれ内蔵されて分割ヒータの温度を検出して温度制御を行う方法としてもよい。

このような方法とすることにより、プロセスバッチ内の半導体ウェハの表面に成膜された薄膜の組成などの面内均一性や再現性を高精度に制御することができる。

また、制御部は、さらに演算システム部を備え、この演算システム部は時系列反応データまたは反応データ、温度検出器で検出される温度データおよび電力の値を用いてヒータまたは分割ヒータに供給する電力の増減を決める方法としてもよい。

このような方法とすることにより、成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性を高精度に制御することができる。また、プロセスバッチ内の半導体ウェハの表面に成膜された薄膜の組成などの面内均一性や再現性を高精度に制御することができる。

また、本発明の半導体製造装置は、複数の半導体ウェハを内部に配置する反応管と、この反応管に隣接して複数の半導体ウェハを加熱するヒータに供給する電力を制御する電力制御部と、ヒータの温度を検出する温度検出器と、半導体ウェハの表面に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、反応ガスの反応管の排気部でのガス分圧を測定するガス分圧計と、測定されたガス分圧と温度検出器で検出した反応温度により、電力制御部からヒータに供給する電力の増減を決定する制御部とを備え、複数の半導体ウェハの表面に反応温度で薄膜を作製する構成からなる。

このような構成とすることにより、半導体ウェハの表面で成膜が行われるときの温度を正確に把握することができるので、成膜が行われているときの時間に対する反応温度の変動を小さくすることができ、さらに反応温度を安定化することができる。このことにより成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性あるいはプロセスバッチ間の薄膜の厚さの再現性などをさらに精度よく制御することができる半導体製造装置を実現することができる。

また、ヒータは、反応管の内部を反応ガスが流れる方向に沿って分割された複数の分割ヒータからなり、温度検出器は、分割ヒータのそれぞれに内蔵されて分割ヒータの温度を検出して温度制御を行う構成としてもよい。

このような構成とすることにより、プロセスバッチ内の半導体ウェハの表面に成膜された薄膜の組成などの面内均一性や再現性を高精度に制御することができる。

また、温度制御は、ガス分圧と反応温度とを時系列的に測定した時系列反応データを基に制御部がヒータまたは分割ヒータに供給する電力を調整する構成としてもよい。

このような構成とすることにより、成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性を高精度に制御することができる。このことにより、成膜された薄膜の内部応力を均一にしてプロセス設計により意図した半導体装置の特性を実現できる成膜を行うことができる。また、内部応力を制御することにより、界面剥離やこれに起因したパーティクルを抑制できるので欠陥の少ない薄膜を成膜することができる。

また、温度制御は、ガス分圧と反応温度との反応データを基に制御部がヒータまたは分割ヒータに供給する電力を調整することにより行う構成としてもよい。

このような構成とすることにより、成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性を高精度に制御することができる。

また、制御部は、さらに演算システム部を備え、この演算システム部は時系列反応データまたは反応データ、温度検出器で検出される温度データおよび電力の値を用いてヒータまたは分割ヒータに供給する電力の増減を決める構成としてもよい。

このような構成とすることにより、成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性を高精度に制御することができる。また、プロセスバッチ内の半導体ウェハの表面に成膜された薄膜の組成などの面内均一性や再現性を高精度に制御することができる。

本発明の半導体装置の製造方法によると、半導体ウェハの表面で成膜が行われるときの温度が正確に把握することができるので、この把握した温度に基づき反応温度を修正することにより成膜が行われているときの時間に対する反応温度の変動を小さくすることができ、さらに反応温度を安定化することができる。このことにより成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性あるいはプロセスバッチ間の薄膜の厚さの再現性などをさらに高精度に制御することができる。

また、本発明の半導体製造装置により作製された薄膜は、同様に安定化した反応温度で製造されるので内部応力を均一にしてプロセス設計により意図した半導体装置の特性を示すことができる。また、内部応力を制御することにより、界面剥離やこの界面剥離に起因したパーティクルを抑制できるので欠陥の少ない薄膜を成膜することができる。

以下、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法および半導体製造装置について、図面を参照しながら説明する。なお、図面で同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするためにそれぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、形状などについては正確な表示ではない。

（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法のフローチャートを示す。また、図２に本発明の実施の形態１にかかる半導体製造装置１０の反応管１１周辺の模式的な断面図および反応管１１内の温度および成膜反応を制御する制御部１２などのシステムの模式的な構成図を示す。

本実施の形態１の半導体装置の製造方法は、図１に示すように加熱工程Ｓ１１と、成膜工程Ｓ１２と、ガス分圧測定工程Ｓ１３とを備えている。そして、ガス分圧測定工程Ｓ１３で得られたデータを基に加熱工程Ｓ１１および成膜工程Ｓ１２にフィードバックをかけて安定した製造プロセスとなるように制御している。ここで、加熱工程Ｓ１１は図２に示すように複数の半導体ウェハ１３を反応管１１に投入して所定の温度まで温度上昇を行う工程である。また、成膜工程Ｓ１２は複数の半導体ウェハ１３の所定の温度に加熱された表面に反応ガスを流す工程である。そして、ガス分圧測定工程Ｓ１３は反応ガスの反応管１１の排気部１４でのガス分圧を測定する工程である。なお、加熱工程Ｓ１１において、ヒータ１５に電力を供給することにより所定の温度まで温度上昇を行う。

そして、本実施の形態１の半導体装置の製造方法は、この排気部１４で測定されたガス分圧に基づき反応管１１に隣接するヒータ１５に電力を供給して温度制御を行い、複数の半導体ウェハ１３の表面に薄膜を作製する方法から構成されている。

このような方法とすることにより、半導体ウェハ１３の表面の温度や表面で行われる成膜反応の情報を持ったガス分圧を排気部１４で測定する。そして、このガス分圧をガス導入側のマスフローコントローラ群（以下、「ＭＦＣｓ」とする）１６でガス導入時に測定されたガス分圧と比較するなどすることにより、逆に半導体ウェハ１３の表面の温度や表面で行われる成膜反応が正確に直接的に把握できることになる。

このことにより、半導体ウェハ１３の表面で成膜が行われるときの温度を正確に把握することができるので、この把握した温度を基にヒータ１５の電力を調整することにより反応温度のフィードバックを行うと成膜が行われているときの時間に対する反応温度の変動を小さくすることができ、さらに反応温度を安定化することができる。また、このことにより成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性あるいはプロセスバッチ間の薄膜の厚さの再現性などをさらに精度よく制御することができる。

また、図２に示す本実施の形態１の半導体製造装置１０は、複数の半導体ウェハ１３を内部に配置する反応管１１と、この反応管１１に隣接して複数の半導体ウェハ１３を加熱するヒータ１５に供給する電力を制御する電力制御部１２ａと、ヒータ１５の温度を検出する温度検出器１２ｂとを備えている。そして、半導体製造装置１０は、半導体ウェハ１３の表面に反応ガスを供給する反応ガス供給部１２ｃと、反応ガスの反応管１１の排気部１４でのガス分圧を測定するガス分圧計１２ｄと、測定されたガス分圧と温度検出器１２ｂで検出した反応温度により、電力制御部１２ａからヒータ１５に供給する電力の増減を決定する制御部１２とを備えている。そして、これらの制御部１２内の各部により制御された半導体製造装置１０は、複数の半導体ウェハ１３の表面に検出した反応温度で薄膜を作製している。

このような構成とすることにより、半導体ウェハ１３の表面で成膜が行われるときの温度を正確に把握することができるので、この把握した温度を基にヒータ１５の電力を調整することにより反応温度のフィードバックを行うと成膜が行われているときの時間に対する反応温度の変動を小さくすることができ、さらに反応温度を安定化することができる。このことにより成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性あるいはプロセスバッチ間の薄膜の厚さの再現性などをさらに高精度に制御することができる半導体製造装置１０を実現することができる。

ここで、ヒータ１５は、反応管１１の内部を反応ガスが流れる方向に沿って分割された複数の分割ヒータ１５ａ、１５ｂ、１５ｃからなり、温度検出器１２ｂは、分割ヒータ１５ａ、１５ｂ、１５ｃのそれぞれに内蔵されて分割ヒータ１５ａ、１５ｂ、１５ｃの温度を外部熱電対１５ｄにより検出して温度制御を行う構成としている。

このような構成とすることにより、反応管１１の内部の温度を反応ガスが流れる方向に沿って高精度に制御してプロセスバッチ内の半導体ウェハ１３の表面に成膜された薄膜の組成などの面内均一性や再現性を高精度に制御することができる。

また、温度制御は、後述するようにガス分圧と反応温度とを時系列的に測定した時系列反応データを基に制御部１２がヒータ１５または分割ヒータ１５ａ、１５ｂ、１５ｃに供給する電力を調整する構成としている。

このような構成とすることにより、半導体ウェハ１３の表面での成膜や加熱の温度などにより時々刻々と変化するガス分圧と反応温度とを適宜、または、ある時系列反応データごとにサンプリングし、このデータを基にヒータ１５などにより反応管１１や半導体ウェハ１３などの温度制御を行う。このことにより、成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性を高精度に制御することができ、成膜された薄膜の内部応力を均一にしてプロセス設計により意図した半導体装置の特性を実現できる成膜を行うことができる。また、内部応力を制御することにより、界面剥離やこれに起因したパーティクルを抑制できるので欠陥の少ない薄膜を成膜することができる。

また、温度制御は、後述するようにガス分圧と反応温度との反応データを基に制御部１２がヒータ１５または分割ヒータ１５ａ、１５ｂ、１５ｃに供給する電力を調整することにより行う構成としている。

このような構成とすることにより、同様に成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性を高精度に制御することができる。

また、制御部１２は、さらに演算システム部１７を備え、この演算システム部１７は時系列反応データまたは反応データ、温度検出器１２ｂで検出される温度データおよび電力の値を用いてヒータ１５または分割ヒータ１５ａ、１５ｂ、１５ｃに供給する電力の増減を決める構成としてもよい。

このような構成とすることにより、さらに成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性を高精度に制御することができる。また、プロセスバッチ内の半導体ウェハ１３の表面に成膜された薄膜の組成などの面内均一性や再現性を高精度に制御することができる。

図２を基にその構成について説明した半導体製造装置１０は、主に次の３点の特徴的な構成要素を備えている。

（１）反応管１１の排気部１４に成膜の反応後のガス分圧を測定する、例えばフーリエ赤外分光光度計（以下、「ＦＴＩＲ」とする）に代表されるような機能を持つガス分圧計１２ｄを測定器として備えている。

（２）過去の成膜反応時の反応管１１の内部の温度を反応ガスが流れる方向に対していくつかの領域に分けたときに、その領域ごとの温度や領域間の温度バランスを測定し、その結果を取り込んで比較演算する演算システム部１７を備えている。さらに、この演算システム部１７は、領域ごとの投入電力量および領域間の投入電力量のバランスの結果とＭＦＣｓ１６から導入されるガス分圧と排気部１４のガス分圧との時系列反応データや反応データなどを蓄積して比較演算している。そして、反応室である反応管１１の内部の温度および温度バランスと導入されるガス分圧と排気部１４のガス分圧との反応データなどを取り込んで比較演算している。

（３）演算システム部１７の演算結果を基に、反応管１１を加熱するヒータ１５の投入電力量を決定し、投入する電力制御部１２ａを備えている。

これらの特徴的な構成要素を連携させる動作を行うことから、反応管１１の内部で消費された反応ガスの総量を算出し、同時に投入電力量の反応管１１の内部の各領域での領域間のバランスを測定する。そうすると、半導体ウェハ１３の表面および反応管１１の内部での成膜反応の状態を定量的に算出することができる。

なお、これまで排気部１４でのガス分圧を測定する手段は、反応管１１の内壁に堆積する膜を活性化ラジカルで除去して反応管１１の内壁のクリーニングなどを行う際の終点検出などで実用化されている。しかしながら、本発明の実施の形態１においては、排気部１４でのガス分圧を測定するガス分圧計１２ｄは、成膜反応時の半導体ウェハ１３の表面の反応状態、例えば温度や成膜された薄膜の組成などを把握する測定器として応用されている。すなわち、ガス分圧計１２ｄを半導体製造装置１０の制御系に取り込み、排気部１４でのガス分圧が新たな反応制御パラメータとして成膜反応を高精度に把握するために活用するものである。

次に図２に示す半導体製造装置１０の具体的な動作について詳細に説明する。この動作については、図３に示す半導体製造装置１０の動作シーケンス図に基づいて説明し、比較のために図４の従来の一般的な薄膜製造装置、例えば減圧ＣＶＤ装置２０の構成図を適宜参照して説明する。

薄膜を成膜する方法の１つである減圧ＣＶＤ法のプロセス・シーケンスは、成膜する薄膜の材料、組成および成膜する工程によって若干差異はあるものの、大まかに図３に示す動作シーケンス図に沿って処理される。図３では横軸に連続したプロセスの処理時間を示し、縦軸には反応管１１の内部に投入された半導体ウェハ１３が配置される管内温度および管内圧力を示す。なお、半導体ウェハ１３のローディングとアンローディングおよび基板キャリアの投入と取り出し部分のシーケンスは省略している。

図２に示す半導体製造装置１０は、図４に示す一般的な減圧ＣＶＤ装置２０と異なり、ガス分圧計１２ｄと演算システム部１７が追加され、工場情報制御システム（以下、「ＦＩＣＳ」とする）１８が明示的に示され演算システム部１７と接続されている。

さて、減圧ＣＶＤ装置２０に限らず熱処理装置では、装置の温度リカバリ特性の改善や半導体ウェハ１３に印加される熱ストレスを緩和するために、高温の熱処理工程の前に待機温度と呼ばれる設定温度で半導体製造装置１０および半導体ウェハ１３は待機している。

このときの待機温度は図３に示す例では約３００℃であるが、図２に示す半導体ウェハ１３を積載した石英ボート１３ａが機構制御部１２ｅの指示でボートエレベータ１９により投入される。そうすると室温の半導体ウェハ１３を積載した石英ボート１３ａが待機温度に保持された反応管１１の内部に投入されるので、図３に示すようにボート投入処理時間Ｔ１０１の間に管内温度が一旦下降する。なお、反応管１１および石英ボート１３ａなどは、例えば高純度石英製の材料からなるものを使用している。

そして、図３に示すように待機温度へのリカバリも含めて実際のプロセス温度まで管内温度を上昇させるために外部熱電対１５ｄの出力値を温度モニタ値として、温度リカバリ処理時間１０２の間に管内温度を目標温度Ｔｇまで上昇させるステップがある。

このステップと並行してエレベータキャップ１９ａにより反応管１１が密閉されると、温度リカバリ処理時間１０２の途中から真空引きが開始され、図３に示されるように管内圧力が約１４００Ｐａから０Ｐａ近傍まで急激に低下していく。

そして、図３に示すように温度リカバリ処理時間Ｔ１０２と真空引きとが完了した時点で、反応管１１のリークチェックがリークチェック処理時間Ｔ１０３の間に実施される。ここで、反応管からのリークレートがプロセスで設定された制限値以下であれば、成膜処理Ｔ１０４が開始される。この成膜処理Ｔ１０４では、反応管１１と内部反応管１１ａとの間に配置された内部熱電対１５ｅの出力値および外部熱電対１５ｄの出力値をそれぞれモニタ値として組み合わせて電力制御部１２ａおよび演算システム部１７により演算した管内温度の結果に基づいてヒータ１５および分割ヒータ１５ａ、１５ｂ、１５ｃに供給する電力の増減の制御を行う。

このときに本実施の形態１の半導体製造装置１０においては、この成膜処理Ｔ１０４の間に上述の管内温度のデータだけではなく、ＭＦＣｓ１６から得られるガス導入時に測定されたガス流量から求められるガス分圧と、排気部１４のメインバルブ１４ｂの後段に設置されているガス分圧計１２ｄから得られる排気部１４の測定されたガス分圧とを演算システム部１７に取り込んで演算する。なお、排気部１４の配管内は真空ポンプ１４ｃにより減圧され、配管内の圧力はメインバルブ１４ｂの近傍に設置された真空計１４ｄで測定し、この測定データの記録および管理は圧力制御部１２ｆにより行われている。また、排気部１４の配管内の圧力は、このような測定データを把握したのちに制御部１２内の圧力制御部１２ｆによりメインバルブ１４ｂなどを制御することにより調整されている。

さらに、反応管１１の内部の各領域の管内温度および領域間の温度バランスを確認するために内部熱電対１５ｅおよび外部熱電対１５ｄから電力制御部１２ａにフィードバックされる温度の値を電力制御部１２ａから演算システム部１７に取り込んで演算する。

上記の温度、電力、ガス分圧およびガス流量などのプロセスデータが演算システム部１７に揃った段階で、同一の反応ガスのそれぞれに対して導入側のＭＦＣｓ１６の流量などから求めたガス分圧と排気部１４のガス分圧とから反応管１１の内部で消費された反応ガスの総量を算出する。そして、ＦＩＣＳ１８から所定の成膜レートや内部応力で製作された所望の特性の薄膜の過去の処理履歴、例えば処理レシピの履歴などを演算システム部１７に取り込んで過去の処理履歴やその統計データを参照し比較することにより、現状の成膜処理が正しく実施されているかを演算システム部１７において判断する。

このときに、現状の成膜処理が過去の処理履歴からのずれがあると認められる場合は、このずれを補正するために、例えばプロセスデータのうちの電力の投入量や投入量の領域間のバランスの補正量を演算システム部１７において演算して算出し、電力制御部１２ａにより電力の投入量や投入量の領域間のバランスの補正量を変更する。

このようにすることにより、所望の特性の薄膜を得るための半導体装置の製造方法において、成膜に使用する反応ガスの成膜反応の再現性が高まるため、成膜レートおよび内部応力の安定性が高まる。また、成膜レートと内部応力が安定してプロセスバッチ間の再現性が増すことにより、反応管１１や内部反応管１１ａの内壁および石英ボート１３ａに蓄積する堆積膜の積層界面での応力起因の剥離現象が抑制される。このことにより、成膜時のパーティクルの発生を抑制し低減することもできる。

そして、図３に示すように成膜処理Ｔ１０４が終了したのちには、成膜処理後の真空引き処理Ｔ１０５を行い、反応管１１の管内圧力を大気圧に戻すバックフィル処理Ｔ１０６を行ったのちにボートエレベータ１９の下降によるボート取り出し処理Ｔ１０７と進行する。そして、室温近傍まで冷却したのちに表面に薄膜が成膜された半導体ウェハ１３が回収される。

このような構成とすることにより、半導体ウェハ１３の表面で成膜が行われるときの温度を正確に把握することができるので、この把握した温度を基にヒータ１５の電力を調整することにより反応温度のフィードバックを行うと成膜が行われているときの時間に対する反応温度の変動を小さくすることができ、さらに反応温度を安定化することができる。このことにより成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性あるいはプロセスバッチ間の薄膜の厚さの再現性などをさらに精度よく制御することができる半導体製造装置１０を実現することができる。また、同様にこのような方法とすることにより、成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性あるいはプロセスバッチ間の薄膜の厚さの再現性などをさらに精度よく制御することができる半導体装置を製造することができる。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法により作製した半導体ウェハ１３上の薄膜の成膜レートのばらつきとヒータパワーのばらつきの関係を示す図である。

ヒータパワーのばらつきが約０．３Ｗ以下であると成膜レートのばらつきも０．０２ｎｍ以下に抑えられており、ヒータパワーのばらつきが大きくなると成膜レートのばらつきが比例して大きくなることが図５のグラフからわかる。このことにより、外部熱電対１５ｄにより測定されるヒータ１５の温度のばらつきと成膜レートのばらつきとの間に相関関係があることがわかる。

したがって、反応管１１の内部の半導体ウェハ１３が配置された各領域内での温度分布、領域間での温度分布およびプロセスバッチ間の温度分布をヒータパワーのばらつきを抑えると共に排気部１４でのガス分圧を測定することにより高精度に制御することが均一な再現性のよい薄膜の成膜を行う上で必要となる。

図６は成膜レートのばらつきに対するパーティクル平均値の関係について示す図である。

なお、パーティクルの数は単位面積の範囲で径が０．１６μｍ以上のものの個数を数えて示している。図６より成膜レートのばらつきが０．０２ｎｍ／分以上であるとパーティクル平均値は緩やかに比例して増加していくが、成膜レートのばらつきが０．０２ｎｍ／分以下であると約０．０１５ｎｍ／分未満で急激に低減していくことがわかる。このことにより、成膜レートのばらつきが大きくなると内部応力が大きくなり、薄膜層において界面剥離が起こりやすくなってパーティクルの数が増加すると推定することができる。

したがって、反応管１１の内部の半導体ウェハ１３が配置された各領域内での温度分布、領域間での温度分布およびプロセスバッチ間の温度分布をヒータパワーのばらつきを抑えると共に排気部１４でのガス分圧を測定することにより高精度に温度および温度分布を制御する。そうすると成膜レートのばらつきが抑えられて、その結果として半導体装置の構成において故障欠陥となる可能性のあるパーティクルの数を低減することができ、故障率の低い半導体装置を均一に再現性よく実現できる薄膜の作製をすることができる。

ところで、反応管１１の内部の半導体ウェハ１３が配置された各領域内での温度分布、領域間での温度分布およびプロセスバッチ間の温度分布を制御するために測定した反応データなどを演算システム部１７に蓄積することが必要である。また、これらの温度分布をさらに高精度に制御するために実施の形態１の半導体製造装置１０の用いられるヒータ１５を一般的に分割される４ゾーンから５ゾーン以上に細分化して分割する構成とすることもできる。

図７に本発明の実施の形態２にかかる半導体製造装置３０の反応管１１周辺の模式的な断面図および反応管１１内の温度および成膜反応を制御する制御部１２などのシステムの模式的な構成図を示す。図７の半導体製造装置３０のヒータ３１は６ゾーンの分割ヒータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆにより構成され、各ゾーンの間には緩衝領域３２が配置されている。このようにすることにより、ゾーンごとに分割ヒータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆにより独立に電力を与えて温度設定することができ、結果として反応管１１の内部に配置された半導体ウェハ１３全体が均一な温度の中に置かれて均一な反応温度の基に成膜プロセスＴ１０４を行うことができる。

このときに、演算システム部１７は時系列反応データや反応データ、温度検出器で検出される温度データおよび電力の値を用いてヒータ３１または分割ヒータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆに供給する電力の増減を決める製造方法とすることもできる。なお、時系列反応データは排気部１４により測定したガス分圧と反応温度とを時系列的に測定したデータであり、反応データはガス分圧と反応温度とを測定したデータである。

このような方法とすることにより、半導体ウェハ１３の表面で成膜が行われるときの温度を正確に把握することができるので、この把握した温度を基にヒータ３１の電力を調整することにより反応温度のフィードバックを行うと成膜が行われているときの時間に対する反応温度の変動を小さくすることができ、さらに反応温度を安定化することができる。このことにより成膜された薄膜の厚さおよび組成や面内の均一性あるいはプロセスバッチ間の薄膜の厚さの再現性などをさらに高精度で制御することができる半導体製造装置３０を実現することができる。

また、半導体製造装置３０においては、各ゾーンに供給される電力量と外部熱電対１５ｄの出力値であるモニタ値から演算システム部１７により反応ガスの反応速度とそれに伴う成膜レートおよび成膜レートのばらつきをシミュレートすることができる。供給される電力量のバランスと供給される反応ガスのガス分圧により、成膜される薄膜の成膜レートや内部応力を予測することにより所望の特性を示す薄膜を半導体ウェハ１３の表面に容易に形成できる。このように過去の履歴データを蓄積し、薄膜の成膜処理の実績を活かして演算システム部１７で演算処理を行うことにより、所望の特性を示す薄膜を形成してもよい。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体ウェハの表面に薄膜を成膜する膜の厚さや組成などの精度、均一性および再現性を向上させることができる。また、本発明の半導体製造装置は、高精度、高均一性および再現性のよい薄膜を半導体ウェハの表面に成膜することができる。したがって、今後のさらなる半導体ウェハの大口径化およびプロセスの微細化において必要不可欠な有用な技術である。

本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の製造方法のフローチャート 本発明の実施の形態１にかかる半導体製造装置の反応管周辺の模式的な断面図および反応管内の温度および成膜反応を制御する制御部などのシステムの模式的な構成図 半導体製造装置の動作シーケンス図 従来の一般的な薄膜製造装置、例えば減圧ＣＶＤ装置の構成図 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法により作製した薄膜の成膜レートのばらつきとヒータパワーのばらつきの関係を示す図 成膜レートのばらつきに対するパーティクル平均値の関係について示す図 本発明の実施の形態２にかかる半導体製造装置の反応管周辺の模式的な断面図および反応管内の温度および成膜反応を制御する制御部などのシステムの模式的な構成図

符号の説明

１０，３０ 半導体製造装置
１１ 反応管
１１ａ 内部反応管
１２ 制御部
１２ａ 電力制御部
１２ｂ 温度検出器
１２ｃ 反応ガス供給部
１２ｄ ガス分圧計
１２ｅ 機構制御部
１２ｆ 圧力制御部
１３ 半導体ウェハ
１３ａ 石英ボート
１４ 排気部
１４ｂ メインバルブ
１４ｃ 真空ポンプ
１４ｄ 真空計
１５，３１ ヒータ
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆ 分割ヒータ
１５ｄ 外部熱電対
１５ｅ 内部熱電対
１６ ＭＦＣｓ（マスフローコントローラ群）
１７ 演算システム部
１８ ＦＩＣＳ（工場情報制御システム）
１９ ボートエレベータ
１９ａ エレベータキャップ
２０ 減圧ＣＶＤ装置
３２ 緩衝領域

Claims (10)

1. 複数の半導体ウェハを反応管に投入して所定の温度までヒータにより温度上昇を行う加熱工程と、
   前記複数の半導体ウェハの前記所定の温度に加熱された表面に反応ガスを流す成膜工程と、
   前記反応ガスの前記反応管の排気部でのガス分圧を測定するガス分圧測定工程とを備え、
   前記測定されたガス分圧に基づき、前記ヒータに供給する電力を調整することにより温度制御を行い、前記複数の半導体ウェハの表面に薄膜を作製することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記温度制御は、前記ガス分圧と反応温度とを時系列的に測定した時系列反応データを基に制御部が前記ヒータに供給する電力を調整することにより行う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. 前記温度制御は、前記ガス分圧と反応温度との反応データを基に制御部が前記ヒータに供給する電力を調整することにより行う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. 前記制御部は、さらに演算システム部を備え、この演算システム部は前記時系列反応データまたは前記反応データ、温度検出器で検出される温度データおよび前記電力の値を用いて前記ヒータまたは分割ヒータに供給する電力の増減を決めることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記ヒータは、前記反応管の内部を前記反応ガスが流れる方向に沿って分割された複数の分割ヒータからなり、この分割ヒータに温度検出器がそれぞれ内蔵されて前記分割ヒータの温度を検出して温度制御を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 複数の半導体ウェハを内部に配置する反応管と、
   この反応管に隣接して前記複数の半導体ウェハを加熱するヒータに供給する電力を制御する電力制御部と、
   前記ヒータの温度を検出する温度検出器と、
   前記半導体ウェハの表面に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
   前記反応ガスの前記反応管の排気部でのガス分圧を測定するガス分圧計と、
   前記測定されたガス分圧と前記温度検出器で検出した反応温度により、前記電力制御部から前記ヒータに供給する電力の増減を決定する制御部とを備え、
   前記複数の半導体ウェハの表面に前記反応温度で薄膜を作製することを特徴とする半導体製造装置。
7. 前記ヒータは、前記反応管の内部を前記反応ガスが流れる方向に沿って分割された複数の分割ヒータからなり、前記温度検出器は、前記分割ヒータのそれぞれに内蔵されて前記分割ヒータの温度を検出して温度制御を行うことを特徴とする請求項６に記載の半導体製造装置。
8. 前記温度制御は、前記ガス分圧と前記反応温度とを時系列的に測定した時系列反応データを基に前記制御部が前記ヒータまたは前記分割ヒータに供給する電力を調整することにより行うことを特徴とする請求項７に記載の半導体製造装置。
9. 前記温度制御は、前記ガス分圧と前記反応温度との反応データを基に前記制御部が前記ヒータまたは前記分割ヒータに供給する電力を調整することにより行うことを特徴とする請求項７に記載の半導体製造装置。
10. 前記制御部は、さらに演算システム部を備え、この演算システム部は前記時系列反応データまたは前記反応データ、前記温度検出器で検出される温度データおよび前記電力の値を用いて前記ヒータまたは前記分割ヒータに供給する電力の増減を決めることを特徴とする請求項８または９に記載の半導体製造装置。

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