JP2016207721A - 熱処理装置、及び熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 成膜の面内均一性の劣化を抑制することのできる熱処理装置を提供する。
【解決手段】 熱処理装置は、ランプヒータと、チャンバー内で前記ランプヒータによって加熱される半導体ウェーハの温度を測定する２以上の温度センサと、前記チャンバー内の前記温度センサと異なる位置で、前記半導体ウェーハと同質かつ同じ厚さのプレートの温度を測定する１以上の基準温度センサと、前記基準温度センサによって得られる基準温度と前記温度センサによって得られる測定温度との差を定量化して前記ランプヒータのパワーを制御する温度制御部と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱処理装置と熱処理方法に関する。

半導体ウェーハの酸化、イオン注入後の拡散・活性化等の熱処理にランプアニール装置が用いられている。たとえば、複数のゲート酸化膜を作り分けるために、ランプアニール装置を用いて急速加熱、急速冷却が行われる。アニール時のウェーハ温度をモニタするために、パイロメータや熱電対等の温度センサを用いて、複数の測定点でウェーハ温度を測定する。パイロメータは熱放射を感知して測定する非接触の測定装置であり、熱電対は接触温度センサである。

図１のランプアニール装置１０１でたとえば熱酸化を行う場合、チャンバー１１０内の支持フレーム４にウェーハ２を水平に設置し、回転させながら酸化ガス（O2ガス）を流してウェーハ２の表面をランプヒータ１１で加熱する。ランプとしては一般にハロゲンランプが用いられている。ウェーハ２の裏面側に、リフレクタプレート１２とパイロメータ１３を設置し、ウェーハ２の裏面からの放射熱をウェーハ２に反射させて裏面の放熱状態を面内で均一にしつつ、ウェーハ２の温度を非接触で測定する。測定結果（T1〜T7）を温度制御システム５に送って、ランプヒータ１１のパワー制御にフィードバックする。

特開２００７−２２７４６１号公報 実開２００６−３１３７７９号公報

ランプアニール装置１０１で熱処理を行うと、使用時間・日数の経過につれて面内方向の熱分布がばらつき、成膜の面内均一性が劣化する。これは、ウェーハ２から発生する微粒子の外方拡散（アウトディフュージョン）により、リフレクタプレート１２やパイロメータ１３の表面に付着物３が形成されて曇りが発生するからと考えられる。リフレクタプレート１２やパイロメータ１３の曇りによりウェーハ温度の読み取りに誤差が生じる。その結果、ウェーハ温度のフィードバックに基づくランプヒータ１１のパワー制御の精度が低下する。リフレクタプレート１２やパイロメータ１３の曇りの程度が進むにつれて、ウェーハ２の面内の成膜状態のばらつきが大きくなる。

そこで、成膜の面内均一性の劣化を抑制することのできる熱処理装置と熱処理方法の提供を課題とする。

一つの態様として、熱処理装置は、
ランプヒータと、
チャンバー内で前記ランプヒータによって加熱される半導体ウェーハの温度を測定する２以上の温度センサと、
前記チャンバー内の前記温度センサと異なる位置で、前記半導体ウェーハと同質かつ同じ厚さのプレートの温度を測定する１以上の基準温度センサと、
前記基準温度センサによって得られる基準温度と前記温度センサによって得られる測定温度との差を定量化して前記ランプヒータのパワーを制御する温度制御部と、
を有する。

上記構成により、熱処理時に成膜の面内均一性の劣化を抑制することができる。

従来の熱処理装置に生じる問題を説明する図である。 使用時間につれてウェーハ面内の膜厚分布が劣化する状態を示す図である。 実施形態の熱処理装置の構成例を示す図である。 ハロゲンランプのゾーンとパイロメータ位置を示す図である。 熱処理装置の変形例を示す図である。 熱処理装置の別の変形例を示す図である。 実施形態の熱処理方法のフローチャートである。 実施形態の熱処理装置の効果を示す図である。

図２は、従来のランプアニール装置１０１を用いたときの膜厚の面内均一性の劣化を示す図である。横軸は日数（または時間）、縦軸は膜厚のばらつきを示す。上述のように、ランプアニール装置１０１の使用につれて、特にウェーハ２の裏面からの拡散物がリフレクタプレート１２やパイロメータ１３に付着して、ウェーハ温度の測定誤差が生じる。ウェーハ温度の測定誤差によりランプヒータ１１のパワー制御の精度が低下し、ウェーハ２上に形成される膜の面内ばらつきが大きくなる。

成膜状態の面内分布が一定程度以上ばらついたときに、ウェット洗浄によりメンテナンスを行う。図２の縦線Ｍはメンテナンスイベントを示す。リフレクタープレート１２とパイロメータ１３の曇りを除去して温度制御及びこれに基づくパワー制御を正常化することで、ランプアニール装置１０１を繰り返し使用することができる。しかし、メンテナンスを繰り返しても膜厚均一性の劣化速度が加速し、メンテナンスイベントの発生間隔が徐々に短くなる。

そこで、実施形態では、ウェーハ温度の測定誤差を低減し、ランプのパワー制御を適正に維持することで、膜の面内均一性が劣化することを防止する。

図３は、実施形態の熱処理装置１Ａの概略構成図である。図１と同じ構成要素には同じ符号を付けている。熱処理装置１Ａは、チャンバー１０の内部に、ランプヒータ１１が設定されている。ランプヒータ１１の下方に、半導体のウェーハ２を回転可能に支持する支持フレーム４と、リフレクタプレート１２と、パイロメータ１３が配置される。パイロメータ１３は温度センサの一例であって、別の種類の温度センサであってもよい。リフレクタプレート１２とパイロメータ１３は、支持フレームにウェーハ２が水平配置されたときに、ウェーハ２の裏面側に位置する。

実施形態の特徴として、熱処理装置１Ａは支持フレーム４の外側に、１つ以上の基準温度センサ１５と、基準温度取得用のプレート１６を有する。プレート１６は、半導体のウェーハ２と同質、同じ厚さのプレートであり、ウェーハ２の熱処理中に、ウェーハ２と同様に加熱される。このことから、プレート１６を「ダミープレート」と呼んでもよい。以下の記載では、便宜上、プレート１６を「ダミープレート１６」と称する。

ダミープレート１６は、熱処理されるウェーハ２の種類（厚さ、質等）に応じて適宜交換され、チャンバー１０内に設けた保持部１８によって取り外し可能に保持される。ダミープレート１６は、たとえば支持フレーム４とチャンバー１０の内壁の間に配置される環状プレートである。環状のダミープレート１６を用いる場合は、保持部１８は、チャンバーの内壁に沿って環状に設けた突起または窪みでもよいし、部分的な突起を複数個所に配置したものでもよい。ダミープレート１６はまた、基準温度センサ１５が配置される位置とその周辺を覆う円弧プレートであってもよい。円弧の大きさは、基準温度センサ１５がダミープレート１６の裏面からの放熱を正確に検知できる大きさである。

ランプアニールの場合、ウェーハ２及びダミープレート１６に光を照射することで、ウェーハ２とダミープレート１６が直接光エネルギーを吸収して急速に加熱される。リフレクタプレート１２は、ウェーハ２の裏面から放熱された熱をウェーハ２の裏面に反射してウェーハ２の面内方向の放熱状態を均一にする。ウェーハ２の温度はパイロメータ１３によって測定され、ダミープレート１６の温度は基準温度センサ１５によって測定される。基準温度センサ１５は、パイロメータ１３と同一であってもよいし、別の非接触型または接触型のセンサであってもよい。

熱処理装置１Ａの使用につれて、ウェーハ２の裏面からの拡散物による付着物３の影響で、リフレクタプレート１２とパイロメータ１３に曇りが生じる。他方、基準温度センサ１５は、ウェーハ２からの不純物等の外方拡散物がかからない位置に配置されており、センサ面に曇りはほとんど生じない。また、ダミープレート１６は、ウェーハ２と同質、同じ厚さであっても、裏面酸化膜の形成やイオン打ち込み等は行われていないので、ダミープレート１６からの不純物等の外方拡散物は少なく、基準温度センサ１５への付着物も少ない。パイロメータ１３による測定結果と基準温度センサ１５による測定結果は、温度制御システム５に送られる。基準温度センサ１５で測定された基準温度に基づいてパイロメータ１３の測定誤差が補正され、ランプヒータ１１のパワーが制御される。

図４は、ランプヒータ１１のランプ配置（上段）と、パイロメータ１３及び基準温度センサ１５の配置例（下段）を示す。ランプヒータ１１は、蜂の巣状に配置された多数のハロゲンランプ１１１を有する。ランプヒータ１１は半径方向に沿って複数のゾーンに分割されている。この例では、ランプヒータ１１の中心から外周に向かってＺ１〜Ｚ７の７つのゾーンに分けられている。ゾーンＺ１〜Ｚ７を囲むサークルＷは、ウェーハ２の外周に対応する。

パイロメータ１３は、ランプヒータ１１のゾーンＺ１〜Ｚ７のそれぞれに対応して、支持フレーム４の内側に配置される。この例では７つのパイロメータ１３が用いられる。基準温度センサ１５は、ウェーハ外周に対応するサークルＷの外側に配置される。加熱処理中は、パイロメータ１３はウェーハ２の裏面側でゾーンＺ１〜Ｚ７に対応する領域の温度Ｔ１〜Ｔ７を取得する。基準温度センサ１５はダミープレート１６の裏面側で基準温度Ｔrefを取得する。基準温度Ｔrefと各パイロメータ１３で取得された温度の差を用いて、パイロメータの曇りの度合いを定量化する。

図３の例では、２つの基準温度センサ１５が用いられているが、基準温度センサ１５の数は特に制限されず、１つ以上の任意の数の基準温度センサ１５を用いることができる。複数の基準温度センサ１５を用いるときは、平均化された基準温度Ｔrefを定量化のために用いてもよい。

温度Ｔ１〜Ｔ７と基準温度Ｔrefの差を定量化して、各パイロメータ１３の曇りの度合いを表わす曇り係数として用いる。たとえば、温度差がほとんどない場合、すなわち曇りのないときを基準状態とし、熱処理の繰り返しによりパイロメータ１３で測定される温度と基準温度センサ１５で測定される温度の間に温度差が生じたときにその温度差を定量化する。一例として、基準温度センサ１５に対する各ゾーンの温度の比率を曇りの定量値とする。測定温度が１０００℃に対して、ゾーンＺ１の測定温度が９９０℃であれば、曇りの程度は１％（０．０１）、ゾーンＺ７の測定温度が９８０℃であれば曇りの程度は２％（０．０２）となる。定量化された値は、後述するようにランプヒータ１１のパワー制御を行う際の重み係数として用いることができる。ゾーン数は必ずしも７つである必要はなく、２つ以上に設定することで、２点以上で曇りの程度を定量化して重み係数を求めることができる。

パイロメータ１３の曇り度合を反映させない場合、ランプヒータ１１のパワーと成膜の面内ばらつきＵの関係は次の近似式（１）で表すことができる。

U=a1×(LP1-TO1) + a2×(LP2-TO2) + … + a7×(LP7-TO7) + B （１）
面内ばらつきＵは成膜の均一性の指標であり、たとえばハロゲンランプ１１１のパワーの標準偏差を用いることができる。ウェーハ２に形成される膜の厚さは、ランプヒータ１１のパワーと相関関係があるからである。ＬＰ１〜ＬＰ７はゾーンＺ１〜Ｚ７のそれぞれに設定されるパワーであり、制御対象（変数）である。ＴＯ１〜ＴＯ７は、ゾーンＺ１〜Ｚ７のパワーオフセットである。パワーオフセットＴＯはウェーハ上の位置に応じて温度に勾配をつけるための補正値であり、あらかじめ熱処理装置１Ａの性質として決められている。たとえば、メンテナンス（ウェット洗浄）直後の熱処理装置１Ａの立ち上げ時に、パイロットウェハで測定を行ってパワーオフセットを決定してもよいし、一番最初のロットの一枚目のウェーハ２の処理時に取得した温度と、前回のサイクルで設定されたパワーとからパワーオフセットを設定してもよい。

係数ａ１〜ａ７は、各ゾーンのパワーＬＰの変化と均一性（またはばらつき）Ｕの変化から決まる係数であり、熱処理装置１Ａの性質によって決まる。初期設定値としては、前回のサイクルで用いられていた値を用いてもよい。定数Ｂも、熱処理装置１Ａの性質によって決まり、パイロットウェハを用いた立ち上げ測定時に算出してもよい。あるいは、メンテナンス後の最初のロットの一枚目のウェーハの処理時に取得した測定結果から算出してもよいし、一枚処理毎に行われる温度測定結果から算出してもよい。

実施形態では、式（１）に曇り係数Ｓを与えた式（２）を用いてランプヒータ１１のパワーを制御する。

U=a1×(LP1-TO1)S1 + a2×(LP2-TO2)S2 + … + a7×(LP7-TO7)S7 + B （２）
各ゾーンの曇り係数Ｓ１、…Ｓ７は、ウェーハ２の裏面側のパイロメータ１３で測定された温度と、ダミープレート１６の直下で測定された基準温度の差を定量化した値であり、無単位である。

各ランプパワーＬＰは、たとえば式（３）から求めることができる。

LP1=[U-a2×(LP2-TO2)S2-…-a7×(LP7-TO7)S7-B]/(a1×S1) + TO1 （３）
これをＬＰ１〜ＬＰ７について７つ求めて、前回のサイクルからの差分が一番小さいＬＰ値に合わせて全ゾーンのパワーを制御する。

あるいは、中心のゾーンＺ１のＬＰ１だけを計算して、そのＬＰ１値に合わせて全ゾーンのパワーを制御してもよい。熱処理中は、ウェーハ２の中心部を加熱するハロゲンランプ１１１のパワーが支配的になること、また、ウェーハ２の中心部を測定するパイロメータ１３は、ウェーハ２の周縁部近傍を測定するパイロメータ１３と比較して外方拡散物の影響が少ないからである。

あるいは、式（２）のＬＰ１〜ＬＰ７を適切なステップ幅で変化させて、面内ばらつきＵが管理値以下になるように収束させてもよいし（ニュートン法）、シンプレックス法などの任意の最適化アルゴリズムを用いてもよい。

ウェーハ２の熱処理時間は短いので、パイロメータ１３の曇りの度合いを定量化してパワー制御に反映させる処理を、ロットごとに行ってもよい。その場合、あるロットでの熱処理中に得られた温度差を定量化した値を、次のロットの熱処理の曇り係数Ｓとして用いてもよい。ウェーハ２の熱処理時間が比較的長い場合（１分〜数分など）は、ウェーハ２ごとに温度差の取得とパワー制御を行ってもよい。曇らない位置に基準温度センサ１５を設置し、付着物３の影響を受けるパイロメータ１３との温度差を曇り量として定量化してランプヒータ１１のパワー制御に反映することで、測定温度誤差を補完し、成膜の面内均一性の劣化を抑制することができる。

図５は、図３の熱処理装置１Ａの変形例である熱処理装置１Ｂを示す。熱処理装置１Ｂでは、ダミープレート１６と基準温度センサ１５を覆う遮蔽板１９を設ける。遮蔽板１９は取り外し可能であることが望ましい。遮蔽板１９を設置することで、支持フレーム４とリフレクタプレート１２の隙間から、ウェーハ２の裏面からの外方拡散物が漏れることを防止する。遮蔽板１９は、たとえばハロゲンランプ１１１の波長に対して透過性を有する石英である。この構成により、基準温度をより正確に取得してパイロメータ１３との温度差を曇りの程度として定量化し、ランプヒータ１１のパワー制御にフィードバックすることができる。

図６は、別の変形例としての熱処理装置１Ｃを示す。熱処理装置１Ｃは、パイロメータ１３及びリフレクタプレート１２と、ダミープレート１６及び基準温度センサ１５の間に遮蔽板２１を設ける。この例ではパイロメータ１３とリフレクタプレート１２は支持リング４の内側に配置されているので、遮蔽板２１は、たとえば支持リング４とダミープレート１６の間に配置される環状の遮蔽板２１である。図５の構成と異なり、ダミープレート１６の上面を覆っていないので、熱処理対象のウェーハ２の種類に応じたダミープレート１６の交換が容易である。遮蔽板２１は、固定式であっても取り外し可能であってもどちらでもよい。遮蔽板２１は、必ずしもランプヒータ１１の波長に対して透過性を有していなくてもよいが、図５と同様に、ランプヒータ１１の波長に対して透過性を有する石英を用いてもよい。遮蔽板２１によって、支持フレーム４とリフレクタプレート１２の隙間から飛散する外方拡散物の漏れを十分に防ぐことができ、より正確に基準温度を取得することができる。図５の構成と同様に、基準温度センサ１５とパイロメータ１３の測定温度差を曇りの程度として定量化し、ランプヒータ１１のパワー制御にフィードバックすることができる。

図７は、実施形態の熱処理方法のフローチャートである。この処理は、熱処理装置１Ａ（または１Ｂまたは１Ｃ）の動作中はロットごと、またはウェーハごとに繰り返し行われるので、エンドレスのループとして描かれており、熱処理装置１Ａの動作の終了により終了する。まず熱処理装置１Ａで、たとえば熱酸化膜形成のためのアニールを開始する（Ｓ１１）。各センサ（たとえばパイロメータ１３）と基準温度センサ１５にてウェーハ温度を取得する（Ｓ１２）。基準温度センサ１５で測定された温度と、各パイロメータ１３で測定された温度の差を計算する（Ｓ１３）。温度差を各ゾーンの曇り係数として定量化する（Ｓ１４）。定量化した曇り係数を用いてランプパワーを制御する（Ｓ１５）。各ゾーンのランプパワーは、成膜の均一性の指標値を表わす近似式に曇り係数で重みを付け、近似式をたとえば最適化の方法で解くことで算出される。

図８は、実施形態の熱処理装置１Ａ〜１Ｃと熱処理方法の効果を示す図である。図８（Ａ）は図２と同様に従来のランプアニール装置１０１を用いたときの成膜のばらつきのドリフトを示す。図８（Ａ）は、実施形態の熱処理装置１Ａを用いたときの成膜のばらつきの抑制効果を示す。従来は、パイロメータ１３に付着する曇りの影響で温度測定に誤差が生じ、ランプパワー制御の精度が劣化して成膜のばらつき、たとえば膜厚の面内ばらつきが大きくなる。メンテナンスによるウェット洗浄の直後は、成膜の面内均一性は回復するが、時間の経過につれて、成膜の均一性が劣化するサイクルが早くなる。

これに対し、実施形態の構成と手法を用いることで、成膜の面内均一性の劣化を抑制することができる。この結果、メンテナンスの間隔を拡げることができる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 熱処理装置
２ ウェーハ
３ 付着物
４ 支持フレーム（支持部）
５ 温度制御システム（温度制御部）
１０ チャンバー
１１ ランプヒータ
１２ リフレクタプレート
１３ パイロメータ（温度センサ）
１５ 基準温度センサ
１６ ダミープレート
１９、２１ 遮蔽板
１１１ハロゲンランプ
Ｚ１〜Ｚ７ ゾーン１〜ゾーン７
Ｔ１〜Ｔ７ 各パイロメータ１３で取得される温度
Ｔref 基準温度センサ１５で取得される温度

Claims (10)

1. ランプヒータと、
   チャンバー内で前記ランプヒータによって加熱される半導体ウェーハの温度を測定する２以上の温度センサと、
   前記チャンバー内の前記温度センサと異なる位置で、前記半導体ウェーハと同質かつ同じ厚さのプレートの温度を測定する１以上の基準温度センサと、
   前記基準温度センサによって得られる基準温度と前記温度センサによって得られる測定温度との差を定量化して前記ランプヒータのパワーを制御する温度制御部と、
   を有することを特徴とする熱処理装置。
2. 前記基準温度センサと前記温度センサとの間に配置される遮蔽板、
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記ランプヒータの下方に位置する熱反射性のリフレクタプレート、
   をさらに有し、
   前記基準温度センサは、前記リフレクタプレートの外側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
4. 前記リフレクタプレートと前記基準温度センサの間に配置される遮蔽板、
   をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の熱処理装置。
5. 前記遮蔽板は、前記ランプヒータの波長に対して透過性であることを特徴とする請求項請求項２または４に記載の熱処理装置。
6. 前記遮蔽板は、前記基準温度センサを覆って配置されていることを特徴とする請求項２、４、または５のいずれか１項に記載の熱処理装置。
7. 前記チャンバー内で前記プレートを交換可能に保持する保持部、
   をさらに有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱処理装置。
8. 半導体ウェーハの熱処理時に、前記半導体ウェーハと同質かつ同じ厚さのプレートを同時に熱処理し、
   前記半導体ウェーハの２以上の箇所でのウェーハ温度と、前記プレートの基準温度とを取得し、
   前記ウェーハ温度の各々と前記基準温度との温度差を定量化し、
   前記定量化された値を用いて前記熱処理に用いるランプヒータのパワーを制御する、
   ことを特徴とする熱処理方法。
9. 前記熱処理時に、前記プレートを前記半導体ウェーハから遮蔽することを特徴とする請求項８に記載の熱処理方法。
10. 前記温度差を定量化した値で、成膜の均一性を表わす近似式を重み付けし、
    前記近似式に基づいて前記ランプヒータのパワーを制御することを特徴とする請求項８に記載の熱処理方法。