JP2012049373A - 半導体装置の製造方法及び製造装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法及び製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】製造装置の構造や稼働状態などに起因する加工ばらつきによる半導体装置の特性のばらつきを抑え、製造歩留りを向上させることが可能な半導体装置の製造方法と製造装置を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造方法において、複数のウェハ処理する第1の処理装置において、第1の処理オーダーで、複数のウェハに第1の処理を行い、第1の処理における複数のウェハ毎の処理量を求め、第1の処理の後に、複数のウェハ処理する第2の処理装置における第2の処理による複数のウェハ毎の処理量を求め、第1の処理による複数のウェハ毎の処理量と第2の処理による複数のウェハ毎の処理量から第1の処理オーダーとは異なる第2の処理オーダーを決定し、第2の処理装置において、第2の処理オーダーで、複数のウェハに第2の処理を行う。
【選択図】図2

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法及び製造装置に関する。
半導体装置の製造工程において、ウェハの加工ばらつきが生じる。例えば、成膜工程においては、膜厚のばらつき、エッチング工程においては、開口径などの加工寸法のばらつきなどが挙げられる。
そこで、一般に、加工処理後に加工寸法などを測定し、その測定結果に基づき、加工条件を最適化し、次工程にフィードフォアードすることにより、加工ばらつきを抑える手法が用いられている。
特開2009−76863号公報
従来の場合には、加工条件を最適化することにより、ある程度加工ばらつきを抑えている。しかしながら、例えば、製造装置の構造自体や、枚葉装置のスタンバイ時間などの製造装置の稼働状態などに起因して生じる加工ばらつきは、加工条件を変動させても、抑制することが困難である。
半導体装置の特性のばらつきを抑え、製造歩留りを向上させることが可能な半導体装置の製造方法と製造装置を提供することを目的とするものである。
上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態によれば、複数のウェハ処理する第1の処理装置において、第1の処理オーダーで、複数のウェハに第1の処理を行い、第1の処理における複数のウェハ毎の処理量を求め、第1の処理の後に、複数のウェハ処理する第2の処理装置における第2の処理による複数のウェハ毎の処理量を求め、第1の処理による複数のウェハ毎の処理量と第2の処理による複数のウェハ毎の処理量から第1の処理オーダーとは異なる第2の処理オーダーを決定し、第2の処理装置において、第2の処理オーダーで、複数のウェハに第2の処理を行う、ことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
また、本発明の一実施形態によれば、複数のウェハに第1の処理オーダーで第1の処理を行う第1の処理装置と、第1の処理の後、複数のウェハに第2の処理オーダーで第2の処理を行う第2の処理装置と、第1の処理における複数のウェハ毎の処理量を求める機構と、第2の処理における複数のウェハ毎の処理量を求める機構と、第1の処理による複数のウェハ毎の処理量と第2の処理による複数のウェハ毎の処理量から第2の処理オーダーを決定する機構と、第1及び第2の処理装置、第1及び第2の処理におけるウェハ毎の処理量を求める機構及び第2の処理オーダーを決定する機構を制御する機構と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置が提供される。
本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る膜厚分布の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る特性分布の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るデバイス特性と膜厚の相関を示す図である。 本発明の一実施形態に係る膜厚分布の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る特性分布の一例を示す図である。 従来の特性分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る特性分布の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る膜厚分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る膜厚分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る膜厚分布を示す図である。 比較例に係る膜厚分布を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1に、本実施形態の半導体装置の製造装置の構成を示す。図1に示すように、例えば1ロットを構成する25枚のウェハwを、それぞれ所定の処理位置(処理オーダー)に配置し、第1の処理を行う第1の処理装置であるバッチ成膜装置11A、第1の処理完了後、ウェハwの並び替えを行う処理オーダー変更機構であるウェハソータ12、複数のウェハwに対して、ウェハソータ12により入れ替えられた処理位置で第2の処理を行う第2の処理装置であるバッチ成膜装置11Bが設けられている。
各バッチ成膜装置11A、11Bにおいて、ウェハは例えば上下方向に所定間隔で配置された石英ボート(図示せず)に載置される。なお、バッチ成膜装置11A、11B及びウェハソータ12間のウェハwの搬送は、例えば各ウェハwを収納するスロットを備えるFOUP(Front Open Unified Pod)13を介して行われる。
そして、各バッチ成膜装置11A、11Bにおける加工量である膜厚を測定し、膜厚分布を求める膜厚測定器14が設けられている。このような膜厚測定器14は、記憶装置15と接続されている。記憶装置15において、膜厚測定器14において過去に測定された膜厚分布の蓄積データ、測定、更新される膜厚データや、膜厚とデバイスの特性(閾値電圧Vthなど)との相関データ、処理されるウェハwのロット情報などが記憶されている。ロット情報は、ウェハ名、製品名、作成基板の設計情報などから構成され、データベース化されている。
このような記憶装置15は、過去の蓄積データ、膜厚とデバイスの特性との相関データなどに基づき、加工量の変動である膜厚分布や、特性分布を求める演算機構16と接続されている。演算機構16により得られたデータは、記憶装置15において記憶される。
記憶装置15は、さらに制御機構17と接続されている。制御機構17において、記憶装置15に記憶されたデータに基づいて、最適なウェハの処理条件、及び処理オーダーが求められる。最適なウェハの処理条件、及び処理オーダーは演算機構16で求められても構わない。そして、求められた処理条件、及び処理オーダーに基づき、さらにこれに接続されたバッチ成膜装置11A、11B及びウェハソータ12を制御する。
このような構成の半導体装置の製造装置を用い、例えば以下のように1ロットのウェハが処理される。
図2にフローチャートを示す。前工程において加工された1ロットのウェハwを、第1の処理位置となるように配置し、FOUP13よりバッチ成膜装置11Aに導入するとともに、制御機構17において、記憶装置15に記憶されたロット情報に基づき、処理条件を最適化する(Step1−1)。なお、1ロット25枚のウェハは、それぞれ第1の処理位置の例えば下方から順に1〜25のID番号が付与されている。
最適化された処理条件で、第1の処理として、例えば、ゲート電極が形成されたウェハ上に、第1ゲート側壁となるTEOS(Tetra EthOxy Silane)膜などの第1絶縁膜を成膜する(Step1−2)。
そして、処理されたロットの各ウェハの加工量である第1絶縁膜の膜厚を、順次膜厚測定器14において測定し、バッチ成膜装置11Aの処理位置に対応するロット内の膜厚の変動(膜厚分布)を求める。そして、得られた膜厚分布が、記憶装置15に転送、記憶される。
このとき得られた第1絶縁膜の膜厚分布の一例を図3Aに示す。図3Aに示すように、処理位置により膜厚が変動していることがわかる。
なお、ここで取得される膜厚分布は、後述するバッチ成膜装置11Bにおける特性分布を予測するのと同様に、演算機構16において、過去の測定値から予測してもよい。
ここで、予め記憶装置15には、例えば図4に示すような、得られる半導体装置の特性(デバイス特性)と第1絶縁膜厚との相関データが記憶されている。この相関データに基づき、得られた膜厚分布より、演算機構16において、処理位置に対応するデバイス特性の変動(特性分布)を求める(Step1−3)。
代表的な特性としてnMOSトランジスタの閾値電圧Vthにおける特性分布の一例を図3Bに示す。図3Bに示すように、図3Aに示す第1絶縁膜の膜厚分布と同様の傾向を示すことがわかる。
そして、例えばエッチバックなどの処理が施されて第1ゲート側壁が形成された後、バッチ成膜装置11Bにおいて、第2の処理として、第2ゲート側壁となるSiN膜などの第2絶縁膜を成膜する。
このとき、バッチ成膜装置11Bにおいても、図5Aに示すように、処理位置により膜厚が変動する。そして、第1絶縁膜のときと同様に、得られるデバイス特性であるnMOSトランジスタの閾値電圧Vthと第2絶縁膜厚との相関データに基づき、特性分布を求めると、図5Bのようになる。
これらより、そのまま第1絶縁膜と第2絶縁膜を合わせたときのVthの変動(特性分布)を図6Aに示す。Vthのばらつきが30mV程度となることがわかる。このように、処理位置により特性が大きく変動し、ばらつきが大きくなる。
そこで、本実施形態においては、制御機構17において、記憶装置15のデータに基づいて、処理条件を最適化するとともに、バッチ成膜装置11Bにおける処理位置を入れ替えて第2の処理を行う。
制御機構17において、例えば、先ず、表1に示すように、得られたバッチ成膜装置11Aにおける処理位置によるVthの変動量(Vthの平均値との差)を、大きいものから順に並べる。
Figure 2012049373
次いで、過去の処理データに基づき、バッチ成膜装置11Bにおいて得られる特性分布を予測する(Step1−4)。
ここで、バッチ成膜装置において、ゾーンごとに温度制御による膜厚制御がある程度可能であるが、ハードウェア構造に起因して成膜ガスの濃度、温度などのばらつきが生じることにより、処理条件が一定であれば、その膜厚分布(変動量、位置依存性)は大きく変動しないと考えられる。
しかしながら、実際には、ヒータなどの経時劣化、装置内堆積膜の堆積量などにより、経時的に温度の変動などが生じ、その膜厚分布(変動量、位置依存性)が変動する場合もある。そこで、処理ロット毎に膜厚分布を測定してデータを更新し、最新のデータに基づいて、特性分布を予測することが好ましい。直近の処理ロットのデータを予測値としてもよく、さらに、複数ロットのデータの平均や、その変化から予測されるデータを予測値とすることにより、より高精度に特性分布を予測することができる。
そして、表2に示すように、予測された特性分布より、処理位置によるVthの変動量が小さいものから順に並べる。
Figure 2012049373
そして、得られた変動量の順序に基づき、バッチ成膜装置11Bにおける処理位置を、表3に示すように、それぞれVthの変動量が大きいものと小さいものを組合せるように入れ替える。
Figure 2012049373
このようにして、バッチ成膜装置11Aにおける特性分布と、予測されたバッチ成膜装置11Bにおける特性分布とより、これらの変動を相殺し、特性のばらつきが最も小さくなるようにバッチ成膜装置11Bにおける処理位置を最適化する(Step1−5)。
このようにして制御機構17において最適化された処理位置となるように、ウェハソータ12において、FOUP13内のスロット位置を自在に変更することにより、ロット内のウェハの並び替えを行う(Step1−6)。
そして、バッチ成膜装置11Bにおいて、最適化された処理条件及び処理位置により、第2絶縁膜を形成する(Step1−7)。ここで、第1絶縁膜と第2絶縁膜を合わせたときのVthの変動(特性分布)を図6Bに示す。Vthのばらつきは10mV程度となり、従来の1/3程度とすることができることがわかる。
本実施形態によれば、2つの工程により加工されて得られる特性のばらつきを相殺するように、後の工程の処理オーダーを最適化することにより、特性のばらつきを抑え、製造歩留りを向上させることが可能となる。
(第2の実施形態)
本実施形態において、半導体装置の製造装置の構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の処理装置を枚葉成膜装置とする点で異なっている。
図7に、本実施形態の半導体装置の製造装置の構成を示す。図7に示すように、例えば1ロットを構成する25枚のウェハwを、それぞれ所定の処理順序(処理オーダー)で第1の処理を行う第1の処理装置である枚葉成膜装置71A、第1の処理完了後、第1の実施形態と同様に、ウェハwの並び替えを行う処理オーダー変更機構であるウェハソータ72、複数のウェハwに対して、ウェハソータ72により入れ替えられた処理位置で第2の処理を行う第2の処理装置であるバッチ成膜装置71Bが設けられている。
なお、枚葉成膜装置71A、バッチ成膜装置71B及びウェハソータ72間のウェハwの搬送は、第1の実施形態と同様に、例えば各ウェハwを収納するスロットを備えるFOUP73を介して行われる。
そして、枚葉成膜装置71A、バッチ成膜装置71Bにおける加工量である膜厚を測定し、膜厚分布を求める膜厚測定器74が設けられている。このような膜厚測定器74は、記憶装置75と接続されている。
記憶装置75において、第1の実施形態と同様に、膜厚測定器74において過去に測定された膜厚分布の蓄積データ、測定される膜厚データや、膜厚とデバイスの特性(閾値電圧Vthなど)との相関データ、処理されるウェハwのロット情報などが記憶されている。ロット情報は、ウェハ名、製品名、作成基板の設計情報などから構成され、データベース化されている。さらに必要に応じて、枚葉成膜装置71Aと接続され、枚葉成膜装置71Aの待機時間のデータ、待機時間と膜厚分布との相関データが記憶される。
このような記憶装置75は、第1の実施形態と同様に、過去の蓄積データ、膜厚とデバイスの特性との相関データなどに基づき、加工量の変動である膜厚分布や、特性分布を求める演算機構76と接続されている。演算機構76により得られたデータは、記憶装置75において記憶される。
このような記憶装置75は、さらに制御機構77と接続されている。制御機構77において、記憶装置75に記憶されたデータに基づいて、最適なウェハの処理条件、及び処理オーダーが求められる。このような制御機構77は、さらに枚葉成膜装置71A、バッチ成膜装置71B及びウェハソータ72と接続され、求められた処理条件、及び処理オーダーに基づき、枚葉成膜装置71A、バッチ成膜装置71B及びウェハソータ72を制御する。
このような構成の半導体装置の製造装置を用い、例えば以下のように1ロットのウェハが処理される。
図8にフローチャートを示す。前工程において加工された1ロットのウェハwを、第1の処理順序で、FOUP73より枚葉成膜装置71Aに導入する。このとき、枚葉成膜装置71Aより待機時間のデータを取得し(Step2−1)、記憶装置75に転送、記憶する。そして、制御機構77において、記憶装置75に記憶されたロット情報に基づき、処理条件を最適化する(Step2−2)。なお、1ロット25枚のウェハは、第1の処理順序でそれぞれ例えば1〜25のID番号が付与されている。
最適化された処理条件で、第1の実施形態と同様に、第1の処理として、例えば、ゲート電極が形成されたウェハ上に、第1ゲート側壁となるTEOS膜などの第1絶縁膜を成膜する(Step2−3)。このようにして、枚葉成膜装置71Aにおいて、所定の処理順序で、順次ウェハwを処理する。
そして、処理されたロットの各ウェハの加工量である第1絶縁膜の膜厚を、順次膜厚測定器74において測定し、枚葉成膜装置71Aの処理順序に対応するロット内の膜厚の変動(膜厚分布)を取得する(Step2−4)。そして、得られた膜厚分布が、記憶装置75に転送、記憶される。
このとき得られた第1絶縁膜の膜厚分布の一例を図9Aに示す。図9Aは枚葉成膜装置71Aがあるウェハを処理した後、次のウェハを処理するまでの時間(以下、待機時間と記載する)が長い(例えば1時間程度)場合と、連続処理等により待機時間の短い(例えば3秒程度)場合のものを併せて示し、以下図9B−Eにおいても同様である。図9Aに示すように、枚葉成膜装置71Aの待機時間により膜厚分布が変動していることがわかる。そして、待機時間が短いものは、処理順序による膜厚ばらつきが小さく、待機時間が長いものでは、処理順序による膜厚ばらつきが大きくなっている。
このように、枚葉成膜装置71Aの待機時間によって、膜厚分布が変化する。これは、処理ロットの一枚目に大きく特性変動として現れるものであり、その変動の傾向は、それぞれの装置固有であると考えられる。従って、予め、待機時間と膜厚分布の相関データを記憶装置75に記憶し、その相関データに基づき、待機時間データより膜厚分布を予測することもできる。
そして、例えばエッチバックなどの処理が施されて第1ゲート側壁が形成された後、バッチ成膜装置71Bにおいて、第2の処理として、第2ゲート側壁となるSiN膜などの第2絶縁膜を成膜する。
そして、第1の実施形態と同様に、演算機構76において、バッチ成膜装置71Bにより形成される第2絶縁膜の処理位置による膜厚分布を予測する。(Step2−5)。そして、例えば図9Bに示すように、第1絶縁膜、第2絶縁膜の膜厚の変動を相殺することで、ばらつきが最小となるように、第1の実施形態と同様に、制御機構77において、バッチ成膜装置71Bの処理位置を最適化する(Step2−6)。なお、処理位置の変更と第2絶縁膜形成時の処理温度や処理時間等を併せて制御し、最適化を行っても構わない。
このようにして制御機構77において最適化された処理位置となるように、第1の実施形態と同様に、ウェハソータ72において、FOUP73内のスロット位置を自在に変更することにより、ロット内のウェハの並び替えを行う(Step2−7)。
そして、バッチ成膜装置71Bにおいて、最適化された処理条件及び処理位置により、第2絶縁膜を形成する(Step2−8)。このとき第1絶縁膜と第2絶縁膜の積層膜厚の変動(積層膜厚分布)を図9Cに示す。図9Dに示す並び替えを行わない場合と比較して、積層膜厚分布におけるばらつきが抑えられることがわかる。積層膜厚は、得られる半導体装置におけるVthなどの電気的特性と相関があることから、積層膜厚分布のばらつきを抑えることにより、特性のばらつきを抑えることが可能となる。
なお、本実施形態において、枚葉成膜装置とバッチ成膜装置の組合せとしたが、枚葉成膜装置同士の組合せでも同様の効果を得ることができる。この場合、ロット内のウェハの処理位置に代えて処理順序を並び替えることになる。
本実施形態によれば、2つの工程により加工される加工量のばらつきを相殺するように、後の工程の処理オーダーを最適化することにより、加工量のばらつきに起因する特性のばらつきを抑え、製造歩留りを向上させることが可能となる。
これら実施形態において、得られる半導体装置における特性として、Vthを挙げ、膜厚測定器により測定される膜厚との相関により得られた値を用いているが、ウェハ内のチップ毎に電気的特性を測定するプローバにより測定された値を用いてもよい。また、Vthのみならず、オン電流Ionなど他の電気的特性や、配線幅、ゲート電極の幅、ゲート側壁の幅など形状特性などを用いることができる。
例えば、Ionにおいて、Vthと同様に膜厚との相関により得られた値や、特性測定器としてプローバにより測定された値を用いることができる。また、配線幅、ゲート電極の幅、ゲート側壁の幅などの形状特性においては、例えばCD−SEM(Current Density Scanning Electron Microscope)や、スキャトロメトリなどにより測定された値を用いることができる。そして、これらの特性測定器は、いずれか1種以上備えられていればよい。
また、これら実施形態において、成膜工程を例として説明したが、リソグラフィ工程、エッチング工程、イオン注入工程など、その他の加工工程においても適用することも可能である。また、2工程の成膜工程における加工量、又は特性のばらつきを相殺させているが、半導体装置の同じ特性に影響する工程であって、処理オーダーによるばらつきが生じる工程であれば、例えば成膜工程とリソグラフィ工程といった異なる工程における加工量、又は特性のばらつきを相殺させることもできる。
また、2工程における加工量、又は特性のばらつきを相殺させているが、2工程以上であればよく、例えば、3層以上で構成されるゲート側壁の形成工程など、3工程、4工程における加工量、又は特性のばらつきを相殺させてもよい。また、成膜・エッチング等の単一プロセスを2工程以上に分割し、工程間にウェハwの並び替えを行い単一プロセス中での加工量、又は特性のばらつきを相殺させることも可能である。
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。その他要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
11A、11B、71B…バッチ成膜装置
12、72…ウェハソータ
13、73…FOUP
14、74…膜厚測定器
15、75…記憶装置
16、76…演算機構
17、77…制御機構
71A…枚葉成膜装置

Claims (10)

  1. 複数のウェハ処理する第1の処理装置において、第1の処理オーダーで、前記複数のウェハに第1の処理を行い、
    前記第1の処理における前記複数のウェハ毎の処理量を求め、
    前記第1の処理の後に、前記複数のウェハ処理する第2の処理装置における第2の処理による前記複数のウェハ毎の処理量を求め、
    前記第1の処理による前記複数のウェハ毎の処理量と前記第2の処理による前記複数のウェハ毎の処理量から第1の処理オーダーとは異なる第2の処理オーダーを決定し、
    前記第2の処理装置において、前記第2の処理オーダーで、前記複数のウェハに第2の処理を行う、
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第2の処理オーダーは、得られる半導体装置における所定の特性のバラツキが最小になるように決定される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1の処理及び前記第2の処理の少なくとも一方は複数のウェハを一括して処理する処理であり、一括処理を行う処理時の前記処理オーダーは前記複数のウェハの配置であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第1の処理及び前記第2の処理の少なくとも一方は複数のウェハを1枚ずつ処理する枚葉処理であり、枚葉処理を行う処理時の前記処理オーダーは前記複数のウェハの処理順序であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第1の処理及び前記第2の処理は同じ処理であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記複数のウェハ毎の前記第2の処理による処理量は、処理量の実測値、過去の測定値に基づく加工量の予測値より求められることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記複数のウェハ毎の前記第1の処理による処理量は、処理量の実測値、過去の測定値に基づく加工量の予測値より求められることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  8. ウェハを収納するスロットを複数の備えるFOUP内のスロットの位置を変更し、ロット内のウェハの順序を変更することができる半導体装置の製造装置。
  9. 複数のウェハに第1の処理オーダーで第1の処理を行う第1の処理装置と、
    前記第1の処理の後、前記複数のウェハに第2の処理オーダーで第2の処理を行う第2の処理装置と、
    前記第1の処理における前記複数のウェハ毎の処理量を求める機構と、
    前記第2の処理における前記複数のウェハ毎の処理量を求める機構と、
    前記第1の処理による前記複数のウェハ毎の処理量と前記第2の処理による前記複数のウェハ毎の処理量から前記第2の処理オーダーを決定する機構と、
    前記第1及び第2の処理装置、前記第1及び第2の処理におけるウェハ毎の処理量を求める機構及び前記第2の処理オーダーを決定する機構を制御する機構と、
    を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。
  10. 前記複数のウェハの配置を、前記第1の処理オーダーから前記第2の処理オーダーに変更する機構をさらに有することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造装置。
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