JP2020065019A - 基板処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1に示すように、基板処理装置は、集積回路の製造工程における熱処理工程を実施する縦型熱処理装置(バッチ式縦型炉装置)10として構成されている。
図3は、真空圧力制御システム43の概略構成図である。真空圧力制御システム43は、実際の弁開度を位置センサで検出してフィードバック制御するタイプのもので、真空計40、弁コントローラ41、APCバルブ42を備える。
(真空計40の計測値)>(目標真空圧力値)
となる場合は、積分回路104の最大値である5Vが、位置制御回路131に対して出力される。その結果、APCバルブ42は急速に開く方向に動作する。一方、
(真空計40の計測値)<(目標真空圧力値)
となる場合には、積分回路104の最小値である0Vが位置制御回路131に対して出力される。その結果、APCバルブ42は、急速に閉じる方向に動作する。
G=GRef(Vmax − B)/Vmax
基準ゲインGRefは、例えば1であり、必要に応じて自己校正を行う。すなわち、ポテンショメータ418の出力は実際の弁開度(コンダクタンス)を示すものと信用して、真空圧力制御システム43の初期動作時に積分回路104の出力を最大値(5V)、バイアス値Bを0とし、ポテンショメータ418の出力する開度が所望の(例えばリフト量42mmに相当する)基準での全開となるように、基準ゲインGRefを調整する。なお、ポテンショメータ418の出力は振動している場合があるので、十分に平均化してから利用する。更には、実際の成膜プロセスにおけるAPCバルブ42の動作パターンにおける、操作量(リフト量、もしくは処理室圧力)の応答を測定し、そのトレースを標準となる応答と照合して、標準に近づくように修正することができる。
真空圧力制御システム43は、弁開度指令値を出力する積分回路104の出力に、ゲインGを乗算してから、オフセット値Bを加算したが、逆でもよい。あるいは、ポテンショメータ418の出力にゲインを乗算してもよい。この場合、ゲインを変更すると、リーク開始位置に対応するバイアス値も変化するので、バイアス値の更新が必要となる。
真空圧力制御システム43は、弁開度指令値を出力する積分回路104の出力に、オフセット値BやゲインGを施して、弁開度指令値のレンジを調整したが、積分回路104の出力の下限値や上限値を直接設定することによっても、同様の効果が得られる。下限値は、オフセット値Bと同じでよく、上限値は固定(5V)もしくはGRefの校正方法と同様に定めることができる。
真空圧力制御システム43は、リフト量を操作量とする制御系として構成されていたが、特許文献3のように、シリンダ圧力を操作量とする制御系として構成してもよい。圧力センサ150の圧力と真空計40の圧力の合算値は、弁開度とよく対応し、リフト量とはスケールが異なるだけで実質的に同じものを表している。すなわち、この圧力合算値を、弁開度指令値に一致させるような制御を行う。全開に相当する弁開度指令値(圧力合算値)は、その最大値が、所定の全開基準値と一致するようにゲイン又は積分上限値を設定することで、定めることができる。変形例3ではポテンショメータは不要となる。
次に、基板処理装置10を用い、半導体装置(デバイス)の製造工程の一工程として、基板上に膜を形成する処理(以下、成膜処理ともいう)のシーケンス例について説明する。ここでは、基板としてのウエハWに対して、第1の処理ガス(原料ガス)と第2の処理ガス(反応ガス)とを交互に供給することで、ウエハW上に膜を形成する例について説明する。
最初に、複数枚のウエハWがボート26に装填(ウエハチャージ)されると、ボート26は、ボートエレベータ52によって処理室24内に搬入(ボートロード)される。このとき、シールキャップ46は、Oリング48を介してマニホールド22の下端を気密に閉塞(シール)した状態となる。ウエハチャージする前のスタンバイの状態からマニホールド22の下端が気密に閉塞されると、バルブ34cを開き、処理室24内断熱領域へのパージガスの供給を開始する。断熱領域の下方位置から上方に向けて供給されたパージガスは、断熱部54および断熱部54の周囲を含む(断熱領域)をパージして、副排気口62から排気される。パージガスの断熱領域の下方から上方にむけての供給を維持し、断熱領域に面する側方に設けられた副排気口62から排気することで、断熱部54の周囲(断熱領域)に供給されたパージガスが成膜領域に拡散することが抑制される。なお、ウエハチャージする前のスタンバイの状態から、バルブ34cを開とし、断熱部54に対するパージガスの供給を開始しても良い。この場合、ウエハチャージ中に外部より巻き込まれるパーティクルが断熱部54に付着することを防ぐことができる。
処理室24内、すなわち、ウエハWが存在する空間が所定の圧力(真空度)となるように、真空ポンプ44によって真空排気(減圧排気)される。この際、処理室24内の圧力は、真空計40で測定され、この測定された圧力情報に基づきAPCバルブ42が、フィードバック制御される。真空ポンプ44は、少なくともウエハWに対する処理が終了するまでの間は常時作動させた状態を維持する。
処理室24内の温度が予め設定された処理温度に安定すると、次の4つのステップ、すなわち、ステップS201、S202、S203及びS204を順次実行する。
このステップでは、処理室24内のウエハWに対し、HCDSガスを供給し、ウエハWの最表面上に、第1の層として、例えば1原子層未満から数原子層の厚さのシリコン(Si)含有層を形成する。
第1の層が形成された後、バルブ34aを閉じ、HCDSガスの供給を停止するとともに、目標圧力を0とする定圧制御(つまり全開制御)を行う。これにより、処理室24内を真空排気し、処理室24内に残留する未反応もしくは第1の層の形成に寄与した後のHCDSガスを処理室24内から排出する。このとき、バルブ34bを開いたままとして、N2ガスの処理室24内への供給を維持する。N2ガスはパージガスとして作用し、これにより、処理室24内に残留するガスを処理室24内から排出する効果を高めることができる。到達真空度のばらつきが膜質に影響する場合は、目標圧力を到達可能な所定の値(例えば50Pa)に設定することができ、目標圧力は図7で示したように途中で50Paに変更してもよい。
ステップS202が終了した後、処理室24内のウエハW、すなわち、ウエハW上に形成された第1の層に対してNH3ガスを供給する。熱で活性化されたNH3ガスは、ステップS201でウエハW上に形成された第1の層(Si含有層)の少なくとも一部と反応し、SiおよびNを含む第2の層(シリコン窒化層)へと変化(改質)させる。
第2の層が形成された後、バルブ34aを閉じ、NH3ガスの供給を停止するとともに、目標圧力を0とする定圧制御(つまり全開制御)を行う。これにより、処理室24内を真空排気し、処理室24内に残留する未反応もしくは第2の層の形成に寄与した後のNH3ガスを処理室24内から排出する。このとき、ステップS202と同様に、所定量のN2ガスをパージガスとして処理室24内へ供給することができる。
上述したS201からS204のステップを時間的にオーバーラップさせることなく順次行うサイクルを所定回数(n回)行うことにより、ウエハW上に、所定組成および所定膜厚のSiN膜を形成することができる。ステップS201やS203で形成される第1及び第2の層の厚さは、必ずしも自己限定的ではないため、安定した膜質を得るためには、ガスに曝露される間のガス濃度や時間は、高い再現性でもって精密に制御される必要がある。なお、反復されるサイクル内で、S201とS202、またはS203とS204を、更に複数回反復して実施してもよい。
処理室24内の雰囲気が不活性ガスに置換され(不活性ガス置換)、処理室24内の圧力が常圧に復帰されると、ボートエレベータ52によりシールキャップ46が下降され、マニホールド22の下端が開口される。そして、処理済のウエハWが、ボート26に支持された状態で、マニホールド22の下端から反応管18の外部に搬出される(ボートアンロード)。処理済のウエハWは、ボート26より取出される(ウエハディスチャージ)。
以下に、付記として本開示の好ましい態様を記す。
処理室と真空ポンプとの間に接続され、作動流体によって弁開度を操作して前記処理室内の真空圧力を制御する真空圧力制御システムであって、
前記処理室と前記真空ポンプとを接続する流路と、前記流路に形成されている弁座とを有するバルブボディと、
前記バルブボディに接続され、所定の軸方向に運動可能にピストンを収容するシリンダと、
前記ピストンに連結され、前記弁座への当接による前記流路の遮断、または前記弁開度に応じて前記弁座から離間される弁体と、
前記弁開度を検出するセンサと、
前記センサが検出した前記弁開度、及び前記処理室内の真空圧力と真空圧力目標値との偏差に基づいて、前記弁開度を制御する弁開度制御信号を出力する第1制御回路と、
前記弁開度制御信号に基づいて、前記ピストンへの作動流体の供給を制御する電空制御信号を出力する第2制御回路と、を有し、
前記第1制御回路は、前記弁開度制御信号の上限値が、物理的な全開よりも開度が小さい所定の全開に対応するように、前記弁開度制御信号のゲインを調整するスケール調整回路を有する。
付記1記載の真空圧力制御システムは、好ましくは、
前記スケール調整回路は基準ゲインを保持し、前記弁開度制御信号のゲインは、前記基準ゲインを前記弁開度制御信号のオフセットの変化に応じて調整することで算出される。
付記1記載の真空圧力制御システムは、好ましくは、
前記センサは、弁体のリフト量を検出するポテンショメータであり、
前記ゲインは、前記弁開度制御信号の出力を最大、且つバイアスを0としたときに、前記センサの出力する開度が前記所定の全開に対応するように調整される。
付記1記載の真空圧力制御システムは、好ましくは、
ウエハの成膜プロセスにおいて、定圧制御と全開制御とを含む動作パターンと同じ動作パターンで、前記弁開度または前記処理室内の真空圧力の応答を測定し、それを標準となる応答と照合して、前記標準に近づくように前記ゲインを修正する。
Claims (5)
- 基板を処理する処理室と、
前記処理室を排気する真空ポンプと、
前記処理室と前記真空ポンプとを接続する流路と、前記流路に形成されている弁座とを有するバルブボディと、
前記バルブボディに接続され、所定の軸方向に運動可能にピストンを収容するシリンダと、
前記ピストンに連結され、前記弁座への当接による前記流路の遮断、または弁開度に応じて前記弁座から離間される弁体と、
前記弁開度を検出するセンサと、
前記弁開度を制御する弁コントローラと、を備え、
前記弁コントローラは、
前記センサが検出した前記弁開度、及び前記処理室内の真空圧力と真空圧力目標値との偏差に基づいて、前記弁開度を制御する弁開度制御信号を出力する第1制御回路と、
前記弁開度制御信号に基づいて、前記ピストンへの作動流体の供給を制御する電空制御信号を出力する第2制御回路と、
前記弁開度の上限が物理的な全開よりも開度が小さい所定の全開となるように、前記第1制御回路もしくは前記第2制御回路を調整するスパン調整回路と、を有する基板処理装置。 - 請求項1において、
前記弁コントローラは、前記弁開度制御信号の下限値が、前記処理室の圧力によって変化する前記弁座のリーク開始位置に対応するように、前記弁開度制御信号の下限を調整するバイアス制御回路を有する基板処理装置。 - 請求項1において、
前記スパン調整回路は、前記弁コントローラが、前記弁開度を前記所定の全開とする指令を受けて前記所定の全開に対応する前記弁開度制御信号を生成するときに、前記弁体のオーバーシュート量及び前記弁開度が前記所定の全開に収束した状態での開度のそれぞれを、複数の制御パラメータを用いて調整するものであり、
前記制御パラメータは、前記指令を含む所定のプロセスレシピを前記基板処理装置で実行したときの前記処理室内の真空圧力のトレースに基づいて、機差を補償するように設定される基板処理装置。 - 複数のウエハを所定の軸に沿って所定の間隔で配列した状態で保持する基板保持具と、
前記基板保持具の下方に配置される断熱部と、
前記基板保持具及び前記断熱部を収容する筒状の空間を形成する処理室と、
前記処理室内の前記複数のウエハの側端に向いて設けられた開口によって、前記処理室と流体連通するガス供給機構と、
前記処理室内の前記複数のウエハの側端に向いて設けられた排気口によって、前記処理室と流体連通するガス排出機構と、
真空圧力制御システムを介して前記ガス排出機構に連通し、前記処理室内の雰囲気を排出する真空ポンプと、を有し、
前記真空圧力制御システムは、真空弁と、前記真空弁の弁開度を検出するセンサと、前記真空弁を制御する弁コントローラを有し、
前記弁コントローラは、前記真空弁の物理的な全開よりも開度が小さい所定の全開に対応するように、前記真空弁の制御信号のスパンを調整する基板処理装置。 - 請求項4に記載の基板処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
前記真空圧力制御システムが前記処理室内の真空圧力を一定に制御しながら、前記処理室内に原料ガスを供給する原料ガス供給工程と、
前記真空圧力制御システムが前記弁開度を前記所定の全開に制御しながら、前記処理室内を排気する原料ガス排気工程と、
前記真空圧力制御システムが前記処理室内の真空圧力を一定に制御しながら、前記処理室内に反応ガスを供給する反応ガス供給工程と、
前記真空圧力制御システムが前記弁開度を前記所定の全開に制御しながら、前記処理室内を排気する反応ガス排気工程と、を繰り返し行う半導体装置の製造方法。
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