JP2009532877A - 基板の急速熱処理のための適応制御方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図7
Description
[0001]本発明の実施形態は、一般的に、半導体基板のような材料を熱処理する方法に関する。
[0002]多くの用途では、半導体及び他の材料の熱処理が行われるが、これには、材料の温度を正確に測定して制御することが必要である。例えば、半導体基板を処理するには、広い温度範囲にわたり温度を正確に測定して制御することが必要である。このような処理の一例が、多数の製造プロセスに使用される急速熱処理(RTP)であり、急速熱アニーリング(RTA)、急速熱クリーニング(RTC)、急速熱化学気相堆積(TCVD)、急速熱酸化(RTO)、及び急速熱窒素処理(RTN)を含む。RTO又はRTNによるCMOSゲート誘電体形成の特定の用途では、ゲート誘電体の厚み、成長温度及び均一性が、全体的なデバイス性能及び製造収率に影響するパラメータである。これらプロセスの幾つかは、基板にわたる温度変動を数℃未満にする必要がある。
[0049]改善されたピーク温度反復性を与えるために本発明により制御アルゴリズムを含む多数の方法が意図される。1つの態様においては、プロセスの各時間ステップに対して基板の瞬時加熱率を決定して、プロセスの次のステップに対する望ましい電力入力を計算するようなリアルタイム適応制御アルゴリズムを使用して、基板の加熱を制御する。別の態様では、考えられる固定の制御アルゴリズムの組から適当な制御アルゴリズムを選択する方法が使用される。固定の制御アルゴリズムの選択は、測定された基板特性、例えば、透過率又は前面の放射率に基づく。別の態様では、少数のランプグループのみが適応制御アルゴリズムを使用し、残りのグループが計算上あまり強力でない固定の制御アルゴリズム、例えば、ビン型アルゴリズムによって制御されるような組合せ型方法が開示される。
[0050]1つの態様においては、基板の熱処理中にランプ電力を制御するために適応制御アルゴリズムが使用される。従来技術とは異なり、ここに開示する制御アルゴリズムは、基板の光学的特性について仮定された値に依存しない。むしろ、このアルゴリズムは、現在測定された基板温度及び手前の時間ステップで印加された電力を使用して、現在時間ステップに対する基板の瞬時加熱率を決定する。瞬時加熱率は、主として、前面の放射率、透過率、及び前面の反射率を含む基板の光学的特性の関数である。基板のこれら特性は、基板温度と共に著しく変化するので、モデルベースの制御アルゴリズムのような、基板の特性の基づくアルゴリズムは、実際の基板の実際の光学特性がモデルにより仮定された値からずれるときの不正確さの増加で悩まされる。このような不正確さは、時間ステップごとに基板の振舞いが不正確に計算されるので、制御アルゴリズムの予想精度を制限する。これは、不十分なプロセス反復性及び考えられる制御不安定さを招くことがある。対照的に、ここに開示するアルゴリズムは、手前の時間ステップにおける基板の実際の振舞いに基づいて瞬時加熱率を計算し、それ故、基板の光学的特性について仮定した値に依存しない。
但し、
Ptotal=そのゾーンが望ましい温度に到達するために次の時間ステップ中に要求される全電力、
Pramp=現在の測定温度から望ましい温度まで次の時間ステップ中にパイロメータゾーンを加熱するのに要求される電力、及び
Psteady state=時間ステップ中にパイロメータゾーンからの熱損失を打ち消し、それ故、パイロメータゾーンを同じ温度に保持するために要求される電力。
但し、
T(607−606)=温度607と606との間の温度差、及び
t1=時間間隔t1の期間。
同様に、時間間隔t2の傾斜率RR2は、次のように定義される。
但し、
T(609−608)=温度609と608との間の温度差、及び
t2=時間間隔t2の期間。
図6に示すように、熱プロセスに対してPtotalが一定に保たれるときにはRR2<RR1である。これは、時間間隔t2中の高い温度の基板に関連した増加熱損失によるものである。高い熱損失は、Psteady stateも高いことを意味する。この実施例ではPtotalが一定であるので、Prampに対してあまり電力が得られず、従って、パイロメータゾーンに同じ入力電力が印加されても、RR2は、RR1より相当に小さい。
但し、
RR=時間ステップ中のパイロメータゾーンの傾斜率、
m=加熱率関数の勾配(注:これは、傾斜率である図6に示す時間−温度軌跡の勾配とは区別されるべきである)、
Pp=時間ステップ中にパイロメータゾーンに印加される電力、及び
C=式(4)のような一次式の「切片」としても知られた定数。
パイロメータゾーンに対する瞬時加熱率が既知であり、即ち式(4)の勾配m及び切片Cが決定されたときには、そのパイロメータゾーンに必要とされる電力は、次の時間ステップに対するパイロメータゾーンの傾斜率に基づいて決定することができる。式(2)及び(3)に示すように、所与の時間ステップに対するパイロメータゾーンの傾斜率は、パイロメータゾーンの現在温度、パイロメータゾーンのターゲット温度、及び時間間隔の長さの関数である。各時間ステップに対するパイロメータゾーンのターゲット温度は、望ましい時間−温度軌跡に基づいてルックアップテーブルから得られる。時間ステップの期間も知られている。従って、式(4)における望ましい傾斜率RRは、現在時間ステップの始めに現在温度が測定されると、時間ステップに対する既知の量となる。これは、パイロメータゾーンの望ましい傾斜率RRを生じさせる時間ステップ中に必要な電力Ppを計算できるようにする。
(4b) RR2=(mxPp2)+C
[0058]この手順は、基板の各パイロメータゾーンに対して熱プロセスの時間ステップごとに繰り返される。基板の瞬時加熱率は、熱プロセスの時間ステップごとに更新されるので、基板の実際の時間−温度軌跡は、モデルベースの制御アルゴリズムよりも、望ましい時間−温度軌跡をより厳密に追跡することができる。これは、モデルベースのコントローラが、処理されている基板とは実質的に異なる光学的特性を有する基板形式に基づくものであるときに、特に言えることである。
但し、
V=ランプ又はランプグループに印加される電圧、及び
iinst=瞬時ランプ電流。
所与の白熱ランプでは、瞬時ランプ抵抗は、厳密な電力に対応することが知られている。
但し、
ΔT=パイロメータゾーンに対する現在測定温度と、基板に対する希望の時間−温度軌跡に基づいてルックアップテーブルにより指令される、時間ステップの終りに必要な温度との間の温度差、及び
t=現在時間ステップの期間。
1つの態様においては、基板全体の所要温度を、時間−温度軌跡ルックアップテーブルによりその時間ステップに指定される値より低い値に減少することにより、基板の全傾斜率が下げられる。これは、その指定の時間−温度軌跡を追跡できなかった幾つかのパイロメータゾーンが他のパイロメータゾーンと平衡するのを許容することにより、パイロメータゾーン間の温度非均一性を制限する。この方法は、パイロメータゾーンを充分迅速に加熱できないときに、関連ランプグループからの最大ランプ出力がそのパイロメータゾーンにマップされていても、重大な温度非均一性を防止するのに使用できる。一実施例では、基板の1つ以上のパイロメータゾーンが2つ以上の連続する時間ステップに対してターゲット温度より約3℃未満低いときに、基板の全傾斜率が減少される。別の実施例では、基板の1つ以上のパイロメータゾーンが2つ以上の時間ステップに対してターゲット温度より約5℃未満低いときに、基板の全傾斜率が減少される。
[0072]別の態様において、RTP中のランプ電力は、基板の処理中にその場で測定できる基板の1つ以上の光学的特性に基づいて基板を処理するために選択された固定の制御アルゴリズムを使用することにより制御される。これは、多数の異なる制御アルゴリズムが異なる基板特性に対して最適化されて、基板特性の値に基づいてシステムコントローラに記憶即ちビン処理された「ビン型(binned)」コントローラを使用する、と称される。例えば、テーブル1は、異なる範囲の基板前面放射率に対して各々最適化された10個の制御アルゴリズムをビン処理できる1つの仕方を示す。
[0077]別の態様においては、基板の熱処理中にランプ電力を制御するための結合方法が開示される。この態様では、RTPチャンバーにおけるランプグループの大部分が、プリセットされたランプグループ電力より成るコントローラのような、計算上あまり厳しくない制御アルゴリズムによって制御される。好ましくは少数のランプグループより成る残りのランプグループは、より精巧な制御アルゴリズム、例えば、適応制御アルゴリズム又はビン型制御アルゴリズムを使用する。この方法は、適応制御方法の効果を含み、即ち温度制御の改善された精度、及び広範囲な基板を処理する能力を含み、しかも、全てのランプグループが適応制御方法によって制御される方法のように計算上激しいものではない。システムコントローラを圧倒するのを回避するために制御アルゴリズムが各時間ステップ中に少数の計算しか必要としないのが有益である。システムコントローラは、しばしば、基板処理システム全体を通して非常に多数のコンポーネント及びセンサを同時に制御し且つ監視する役割を果たすので、計算上激しいアルゴリズムは、必要な全ての演算を適時に遂行する能力を妨げ、処理エラー及び/又は遅延を生じさせることがある。
[0081]上述したように、熱処理中には、前面放射率、前面反射率、吸収率、又は広帯域透過率のような基板の光学的特性の現在値を知ることが有益である。というのは、それらが熱処理中に変化するからである。これは、モデルベースでない温度制御方法、例えば、上述した適応制御方法、ビン型コントローラ方法、又は結合コントローラ方法を使用するときに、特に言えることである。本発明の態様は、基板を熱的に擾乱し、基板のその後の温度上昇を測定して、基板の1つ以上の光学的特性を推定することを意図している。他の態様では、熱的擾乱を必要とせずに、光学的特性を直接決定することができる。
[0082]幾つかの熱プロセスでは、熱プロセス中に基板の前面放射率を知ることが有益である。例えば、図1に戻ると、スパイクアニールプロセスの初期温度傾斜201において、基板の前面放射率及び透過率を正確に決定すると、時間121より早期に基板温度の閉ループ制御を開始することができる。これは、初期温度傾斜201中に基板における望ましくない熱勾配を最小にし、それ故、スパイクアニール203の前に短い安定化周期202しか要求しない。別の実施例では、スパイクアニール203のような短い期間のプロセスの直前に基板前面の放射率を正確に測定することが、温度制御にとって有益である。これは、コントローラが基板の将来の温度を予想して基板を正しい時間−温度軌跡に維持する能力が基板の光学特性に強く依存し得るからである。上述したビン型コントローラ方法は、1つのこのようなケースである。過去の温度エラーに応答する方法に依存するのは、このような短い期間のプロセスにとって低速になり過ぎる。というのは、白熱ランプのような標準的なランプの応答時間は、1つの時間ステップほど長く又はそれより長くなり得るからである(図8a及び8bを参照)。むしろ、基板の将来の温度を予想する正確な方法が要求される。第3の実施例において、任意の基板に対する最適な制御アルゴリズムを選択するプロセスは、熱プロセスの最も温度に敏感なセグメントの前に基板の前面放射率を決定し、それに応じて制御アルゴリズムを選択することにより、自動化することができる。
(5a) R=1.0−A
但し、
A=時間ステップ中の波長0.2μmから5μmの放射に対するパイロメータゾーンの吸収率、
τ=時間ステップ中の波長0.2μmから5μmの放射に対するパイロメータゾーンの透過率、及び
R=時間ステップ中の波長0.2μmから5μmの放射に対するパイロメータゾーンの前面反射率。
[00107]上述したように、熱プロセス中に基板の透過率を知るのが有益な場合がある。これは、基板の透過率が温度と共に実質的に変化し得るときには、低い温度、即ち400℃より低い温度において、特に言えることである。基板の透過率を計算するために本発明により意図された1つの方法は、図11を参照して上述した。400℃より低い温度において基板の透過率を決定する2つの更に別の方法をここに開示する。
[00123]ある場合には、熱プロセス中に基板の前面反射率を知ることが有益となり得る。例えば、基板の吸収率が前面放射率にほぼ等しいという仮定に代わって、基板の吸収率は、前面反射率が既知であるときに式(5a)で直接解くことができる。基板の前面反射率及び吸収率は、熱処理中の基板の熱的振舞いに強く作用するので、これら光学的特性の正確な値を、テーブル1に関連して上述したように、以前に最適化された制御アルゴリズム(1つ又は複数)に対する選択基準として使用することができる。基板の前面反射率を計算するために本発明により意図された幾つかの方法は、図11及び式(5a)に関連して上述された。
[00128]また、本発明は、RTPにおいて従来技術より温度均一性を改善するための方法及び装置も意図している。上述したように、熱処理中には、基板の全領域にわたって均一な温度分布をもつことが重要である。一実施形態では、上述した方法の1つによりその場で決定される基板の前面放射率に基づいて所定の仕方で全ランプグループの電力出力をスケーリングすることによりRTP中に基板が均一に加熱される。別の実施形態では、縁リングの直接温度制御を通じて縁リング作用を減少することにより基板温度の均一性が改善される。別の実施形態では、ランプグループが、基板の前面放射率の関数として再構成される。更に別の実施形態では、少なくとも1つのランプグループが、RTP中に基板上で検出される非半径方向の温度非均一性を処理するように適応された半径方向に非対称的なランプグループより成る。
Claims (33)
- ある時間間隔中に処理チャンバー内で少なくとも1つのゾーンを含む基板の温度を制御する方法において、
上記時間間隔の前に上記基板の各ゾーンの温度を測定するステップと、
上記時間間隔に対する各ゾーンの瞬時加熱率を、少なくとも1つの先行する時間間隔における各ゾーンの熱的振舞いに基づいて計算するステップと、
上記瞬時加熱率に基づいて上記時間間隔の終了までに各ゾーンを望ましい温度にもっていくために各ゾーンに対する入力電力を決定するステップと、
各ゾーンに対する上記入力電力を各それぞれのゾーンに印加するステップと、
を備えた方法。 - 上記基板の温度は、約500℃より低く、各ゾーンの温度を測定する上記ステップは、
上記基板の透過率を決定する段階と、
上記基板を透過したエネルギーを要因として除くことによりパイロメータで各ゾーンの温度を測定する段階と、
を含む請求項1に記載の方法。 - 基板の透過率を決定する上記段階は、分光計を使用して、上記基板の少なくとも1つのゾーンの透過率を決定することを含む、請求項2に記載の方法。
- 上記基板の温度は、約500℃より低く、各ゾーンの温度を測定する上記ステップは、ほぼ室温のパイロメトリーを使用することを含む、請求項1に記載の方法。
- 基板の透過率を決定する上記段階は、
少なくとも1つのゾーンの背面から放射される光を捕獲する工程と、
各ゾーンからの上記捕獲された光を第1光学路及び第2光学路に分割する工程と、
上記第1光学路の光を第1パイロメータへ指向する工程であって、該第1パイロメータが第1帯域路の光を検出するようにフィルタされる工程と、
上記第2光学路の光を第2パイロメータへ指向する工程であって、該第2パイロメータが第2帯域路の光を検出するようにフィルタされ、且つ該第2帯域路が、上記第1帯域路よりも長い周波数の光を含むような工程と、
上記第1パイロメータ及び第2パイロメータにより検出された合計エネルギーを比較する工程と、
を含む請求項2に記載の方法。 - 基板の透過率を決定する上記段階は、
第1の大きさをもつ電力入力波形を少なくとも1つのゾーンに印加する工程と、
少なくとも1つのゾーンを透過したエネルギーと、少なくとも1つのゾーンの背面から放射されるエネルギーとの和に対応する電力波形であって、第2の大きさをもつ電力波形を測定する工程と、
上記第1の大きさ及び第2の大きさを比較する工程と、
を含む請求項2に記載の方法。 - 各ゾーンの瞬時加熱率を計算する上記ステップは、更に、
第1の時間間隔中に第1の電力入力から生じる上記ゾーンの第1の温度傾斜率を計算する段階と、
第2の時間間隔中に第2の電力入力から生じる上記ゾーンの第2の温度傾斜率を計算する段階と、
上記ゾーンの上記瞬時加熱率が時間の一次関数で、入力電力比例し、更に、該一次関数が一定の勾配及び一定の切片を含むと仮定する段階と、
上記第1傾斜率、第2傾斜率、第1電力入力及び第2電力入力を使用して、新たな勾配値及び新たな切片値を解く段階と、
を含む請求項1に記載の方法。 - 新たな勾配値及び先行する勾配値の重み付けされた平均である勾配の値を使用する段階と、
新たな切片値及び先行する切片値の重み付けされた平均である切片の値を使用する段階と、
を更に含む請求項7に記載の方法。 - 上記重み付けされた平均は、指数関数的な時間重み付け平均である、請求項8に記載の方法。
- 上記少なくとも1つのゾーンは、複数の実質的に同心的なゾーンを含み、各ゾーンは、出力電力を発生する対応熱源により実質的に加熱される、請求項1に記載の方法。
- 各ゾーンの入力電力及び影響マトリクスに基づいて各熱源に対する出力電力を計算する段階を更に含む、請求項10に記載の方法。
- 上記影響マトリクスは、上記チャンバー内で決定される、請求項11に記載の方法。
- 各熱源は、ランプグループであり、各熱源に対する出力電力を計算する上記段階は、更に、各ランプグループの出力電力にオーバーシュート電力を含ませることによりランプの過渡応答を補償することを含む、請求項11に記載の方法。
- 熱処理中に基板を処理する方法において、
熱処理中に基板の光学的特性の値を決定するステップと、
上記光学的特性の値に基づいてビン型制御アルゴリズムを選択するステップと、
上記ビン型制御アルゴリズムを使用して熱処理の第1部分に対して基板の温度を制御するステップと、
を備えた方法。 - 上記光学的特性は、前面の放射率、前面の反射率及び吸収率より成るグループから選択される、請求項14に記載の方法。
- 光学的特性を決定する上記ステップは、更に、
基板の領域の温度を測定する段階と、
ある時間増分中に上記領域の前面に入力電力を印加する段階と、
上記時間増分の後に上記領域の温度を再測定する段階と、
上記時間増分中の温度上昇に基づいて基板の前面放射率を推定する段階と、
を含む請求項15に記載の方法。 - 上記前面放射率に基づいて前面反射率を推定する段階を更に含む、請求項16に記載の方法。
- 上記基板の領域の温度を測定する前に上記基板を実質的に熱的平衡に維持する段階を更に含む請求項16に記載の方法。
- 光学的特性を決定する上記ステップは、更に、
上記基板の透過率を決定する段階と、
上記基板を透過したエネルギーを要因として除くことによりパイロメータで上記基板の温度を測定する段階と、
上記基板の温度上昇に基づいて上記基板の前面放射率を推定する段階と、
を含む、請求項15に記載の方法。 - 上記前面放射率に基づいて前面反射率を推定する段階を更に含む、請求項19に記載の方法。
- 基板の透過率を決定する上記段階は、分光計を使用して、上記基板の少なくとも1つのゾーンの透過率を決定することを含む、請求項19に記載の方法。
- 基板の透過率を決定する上記段階は、ほぼ室温のパイロメトリーを使用することを含む、請求項19に記載の方法。
- 基板の透過率を決定する上記段階は、
上記基板の背面から放射される光を捕獲する工程と、
上記捕獲された光を第1光学路及び第2光学路に分割する工程と、
上記第1光学路の光を第1パイロメータへ指向する工程であって、該第1パイロメータが第1帯域路の光を検出するようにフィルタされる工程と、
上記第2光学路の光を第2パイロメータへ指向する工程であって、該第2パイロメータが第2帯域路の光を検出するようにフィルタされ、且つ該第2帯域路が、上記第1帯域路よりも長い周波数の光を含むような工程と、
上記第1パイロメータ及び第2パイロメータにより検出された合計エネルギーを比較する工程と、
を含む請求項19に記載の方法。 - 基板の透過率を決定する上記段階は、
第1の大きさをもつ電力入力波形を基板に印加する工程と、
上記基板を透過したエネルギーと、上記基板の背面から放射されるエネルギーとの和に対応する電力波形であって、第2の大きさをもつ電力波形を測定する工程と、
上記第1の大きさ及び第2の大きさを比較する工程と、
を含む請求項19に記載の方法。 - 上記光学的特性は、前面放射率を含み、光学的特性の値を決定する上記ステップは、
閉ループ制御アルゴリズムを使用して上記熱処理の早期部分中に上記基板の温度を制御する段階と、
上記熱処理の早期部分中に示される電力プロフィールに基づいて上記前面放射率を推定する段階と、
含む請求項14に記載の方法。 - 上記基板は、少なくとも1つのゾーンを含み、上記方法は、更に、
上記熱処理の第2部分中に上記基板の温度を制御するステップを備え、該ステップは、
上記熱処理の上記第2部分中に生じるある時間間隔の前に上記基板の各ゾーンの温度を測定する段階、
上記時間間隔に対する各ゾーンの瞬時加熱率を、少なくとも1つの先行する時間間隔における各ゾーンの熱的振舞いに基づいて計算する段階、
上記瞬時加熱率に基づいて上記時間間隔の終了までに各ゾーンを望ましい温度にもっていくために各ゾーンに対する入力電力を決定する段階、及び
各ゾーンに対する上記入力電力を各それぞれのゾーンに印加する段階、
を含む方法を使用して実行する、請求項14に記載の方法。 - 上記熱処理の上記第2部分は、上記熱処理の上記第1部分に先行し、更に、
熱処理中に上記基板の光学的特性の値を決定する上記ステップは、上記熱処理の上記第2部分中に行われる、請求項26に記載の方法。 - 上記基板は、少なくとも1つのゾーンを含み、上記ビン型制御アルゴリズムは、
上記熱処理中に生じるある時間間隔の前に上記基板の各ゾーンの温度を測定し、
上記時間間隔に対する各ゾーンの瞬時加熱率を、少なくとも1つの先行する時間間隔における各ゾーンの熱的振舞いに基づいて計算し、
上記瞬時加熱率に基づいて上記時間間隔の終了までに各ゾーンを望ましい温度にもっていくために各ゾーンに対する入力電力を決定し、更に、
各ゾーンに対する上記入力電力を各それぞれのゾーンに印加する、
ことを含む、請求項14に記載の方法。 - 各ゾーンの瞬時加熱率の上記計算は、更に、
第1の時間間隔中に第1の電力入力から生じるゾーンの第1の温度傾斜率を計算し、
第2の時間間隔中に第2の電力入力から生じるゾーンの第2の温度傾斜率を計算し、
上記ゾーンの上記瞬時加熱率が時間の一次関数で、入力電力比例し、更に、該一次関数が一定の勾配及び一定の切片を含むと仮定し、
上記第1傾斜率、第2傾斜率、第1電力入力及び第2電力入力を使用して、新たな勾配値及び新たな切片値を解き、
新たな勾配値及び第1の数の先行する勾配値の重み付けされた平均である勾配値を使用し、更に、
新たな切片値及び第2の数の先行する切片値の重み付けされた平均である切片値を使用する、
ことを含む請求項1に記載の方法。 - 上記第1の数及び第2の数は、光学的特性の値に基づく、請求項29に記載の方法。
- 第1のランプグループ及び少なくとも1つの付加的なランプグループを備えたチャンバー内で熱処理中に基板を処理する方法において、
熱処理中に基板の光学的特性の値を決定するステップと、
上記光学的特性の値に基づいてビン型制御アルゴリズムを選択するステップと、
上記熱処理の一部分に対して基板の温度を制御するステップと、
を備え、温度を制御する上記ステップは、
開ループ制御を使用して上記第1ランプグループの電力出力を制御する段階と、
上記ビン型制御アルゴリズムを使用して少なくとも1つの付加的なランプグループの電力出力を制御する段階と、
を含む、方法。 - 上記第1ランプグループは、上記チャンバー内の全ランプの半分より多くを含む、請求項31に記載の方法。
- 上記光学的特性は、前面放射率、前面反射率、及び吸収率より成るグループから選択される、請求項31に記載の方法。
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