JP2640269B2

JP2640269B2 - 処理方法及び処理装置

Info

Publication number: JP2640269B2
Application number: JP7343589A
Authority: JP
Inventors: 知徳成田; 公裕松瀬
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1988-03-25
Filing date: 1989-03-24
Publication date: 1997-08-13
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: JPH01315134A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）この発明は、処理方法及び処理装置に関する。

（従来の技術）一般に、半導体集積回路に金属薄膜を堆積させて配線
等を行なう技術として、長年の間、蒸着やスパッタリン
グ等の物理的気成長方法（PVD）が使用されてきた。

しかし、超LSI等集積回路のように高集積化・高速化
・高密度化に伴い、ゲート電極の形成及びコンタクト・
ホールやスルー・ホール等の形成の為に、多結晶Siに比
べ抵抗が１桁以上低いＷ（タングステン）等の高融点金
属の金属薄膜を選択的に堆積させる技術が重要となって
きている。このような目的のため、最近、堆積の選択に
優れたCVD（chemical、Vapor deposition）が多用され
ている。

このCVDにより、被処理基板の例えばアルミ上にＷ薄
膜を選択的に堆積させる場合、選択性を向上させるた
め、被処理基板を急加熱し、その後所望の温度帯に温度
制御して化学的気相成長法によりＷ薄膜を被処理面に成
膜していた。この時、上記温度制御方法としては、被処
理基板に接触型の温度検知機構である熱電対を接触させ
て、被処理基板の温度を検知することにより行なうか、
又は、被処理基板から放射される赤外線の放射エネルギ
ーにより非接触型の温度検知機構であるパイロメータで
温度を検知することにより行なっていた。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、このような従来の温度制御のための温
度検知に熱電対を用いると、熱電対は温度が安定すると
信頼性は高いが、熱電対自体の温度上昇に時間がかか
り、急上昇する温度に対して信頼性が低い。従って被処
理基板を急加熱した際には、急上昇する温度に熱電対が
追従できず検知温度と実際の温度とにかなりの誤差が生
じ、急上昇後に一定に維持すべき設定値より大幅にオー
バーシュートしてしまうという問題点があった。

又、このようにオーバーシュートしてしまうと、被処
理基板の被処理面の材質によっては、溶け出してしまう
事があり、次に行なう化学的気相成長処理が行なえない
という問題点もあった。

また、シリコン被処理基板の散乱区域上にCVDを施す
場合には、反応が被処理基板内部まで進行する、いわゆ
る侵入、インクロウチメント（encroachment）と呼ばれ
る現象が生じてしまう。

一方、温度制御にパイロメータを用いると、パイロメ
ータは高速応答性をもつので急加熱には対応できるが、
化学的気相成長法を実行する際、処理前に被処理面から
放射する赤外線の放射率と、堆積させる膜材質の放射率
とが異なる場合、処理が進むにつれ、被処理面の放射率
が変化し、この放射率の変化により、実際の温度とは異
なった温度検知を行なってしまうという問題点があっ
た。

この発明は上記点に対処してなされたもので、急加熱
を伴う昇温工程と、その後の放射率の変化を伴う処理工
程のいずれにおいても被処理基板の温度を正確に検出
し、被処理基板を正確な温度に制御しながら処理するこ
とができる処理方法及び処理装置を提供することを目的
とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明の処理方法は、被処理基板を温度制御しながら
急加熱しその後所望の温度帯で被処理基板の被処理面の
放射率の変化をもとなう処理をする処理方法において、
上記温度制御を行う期間のうち急加熱をともなう期間被
処理基板の温度を被処理面からの放射率により検知する
非接触型の温度検知機構により検知し、その後接触型の
温度検知機構により検知して温度制御を行うことを特徴
とする。

また、本発明の処理装置は、反応チャンバ内の設置台
に被処理基板を設置し、この被処理基板を温度制御しな
がら急加熱しその後所望の温度帯で被処理基板の被処理
面の放射率の変化をともなう処理をする処理装置におい
て、上記反応チャンバに設けられ、被処理基板の温度を
被処理面からの放射率により検知する非接触型の温度検
知機構と、上記載置台に設けられ、被処理基板の温度を
直接検知する接触型の温度検知機構と、上記温度制御を
行う期間のうち急加熱をともなう期間被処理基板の温度
を上記非接触型の温度検知機構により検知し、その後上
記接触型の温度検知機構により検知して温度制御を行う
制御部とを備えたことを特徴とする。

（作用）本発明の処理方法によれば、温度制御を行う期間のう
ち急加熱をともなう期間被処理基板の温度を被処理面か
らの放射率により検知する被接触型の温度検知機構によ
り検知し、その後接触型の温度検知機構により検知して
温度制御を行うため、急加熱を伴う昇温工程においては
応答性の良い非接触型の温度検知機構により、その後の
放射率の変化を伴う処理工程においては放射率の変化に
左右されない接触型の温度検知機構によりそれぞれ被処
理基板の温度を正確に検出することができ、被処理基板
を正確な温度に制御しながら処理することが可能とな
る。

また、本発明の処理装置によれば、反応チャンバに設
けられて被処理基板の温度を被処理面からの放射率によ
り検知する非接触型の温度検知機構と、設置台に設けら
れて被処理基板の温度を直接検知する接触型の温度検知
機構と、温度制御を行う期間のうち急加熱をともなう期
間被処理基板の温度を上記非接触型の温度検知機構によ
り検知し、その後上記接触型の温度検知機構により検知
して温度制御を行う制御部とを備えているため、急加熱
を伴う昇温工程においては応答性の良い非接触型の温度
検知機構により、その後の放射率の変化を伴う処理工程
においては放射率の変化に左右されない接触型の温度検
知機構によりそれぞれ被処理基板の温度を正確に検出し
て、被処理基板を正確な温度に制御しながら処理するこ
とが可能となり、処理効率の向上が図れる。

（実施例）以下、本発明を半導体製造工程の化学的気相成長によ
る薄膜形成工程で、枚葉処理による高融点金属の薄膜形
成を行う処理装置（膜形成装置）に適用した実施例につ
き図面を参照して説明する。

第１図に示すように、冷却水等で壁面に冷却可能にジ
ャケットが設けられた気密な円筒状Al（アルミニウム）
製反応チャンバ（１）上方に、被処理基板例えば半導体
ウエハ（２）を、被処理面が下向きになる如く設置可能
な設置台（３）が設けられている。そして、この設置台
（３）近傍には、例えば半導体ウエハ（２）の外縁を支
持して設置台（３）に半導体ウエハ（２）を固定するた
めの、例えばエアシリンダ等の昇降機構（４）を備えた
支持体（５）が設けられている。そして、この支持体
（５）の所定の位置に溝が設けられていて、この溝に接
触型の温度検知機構例えば熱電対（６）が設けられてい
る。即ち、上記支持体（５）で半導体ウエハ（２）を設
置台（３）に支持する時、支持体（５）に設けられた熱
電対（６）が半導体ウエハ（２）と接触するように構成
されている。上記熱電対（６）は、常温から600℃まで
対応可能なアルメル・クロメルのＫタイプのものが望ま
しい。そして、設置台（３）の上方には石英ガラス製の
窓（７）を通して設置台（３）を例えば300℃〜1000℃
に加熱可能なIRランプ（infrared ray lamp）（８）が
設けられている。そして、設置台（３）近辺の反応チャ
ンバ（１）上壁には、例えば２ケ所の排気口（９）が設
けられ、この排気口（９）には、反応チャンバ（１）内
を所望の圧力に減圧及び反応ガス等を排出可能な真空ポ
ンプ（10）例えばターボ分子ポンプ等が接続されてい
る。

それから、反応チャンバ（１）下方に酸化系のガスで
ある膜成長用ガス例えばWF₆（六弗化タングステン）等
を導入する、多数の微小な孔をもつ円環状の酸化系ガス
導入口（11）が設けられ、同様に、還元系のガスである
H₂（水素）やキャリアガスであるAr（アルゴン）等を導
入する、多数の微小な孔をもつ円環状の還元系又は、キ
ャリアガス導入口（12）が設けられている。これらガス
導入口（11,12）は流量制御機構（13）例えばマス・フ
ロー・コントローラ等を介してガス供給源に接続されて
いる。また、設置台（３）とガス導入口（11,12）の間
には、ガスの流れを制御するための例えばステッピング
モータ等の直線移動（図示せず）を備えた円板状流れ制
御板（14）が設けられている。

そして、円板状流れ制御板（14）の中心には、設置台
（３）に設置された半導体ウエハ（２）の中心に対応す
る如く軸方向に直径例えば5cmの円筒系の空間（15）が
開口している。また、この空間（15）の底部は、反応チ
ャンバ（１）外下方に設けられた非接触型の温度検知機
構例えば赤外線の放射エネルギーから温度検知可能なパ
イロメータ（16）と、レンズ（17）を間に介して接続し
ている。即ち、パイロメータ（16）は、レンズ（17）を
および空間（15）を介して、設置台（３）に設置された
半導体ウエハ（２）と対面しており、この半導体ウエハ
（21）のほぼ中心の直径例えば２〜3cmの部分の赤外線
の放射エネルギーを検知することにより、温度検知可能
とされている。

そして、反応チャンバ（１）の１側面に例えば昇降に
より開閉可能なゲートバルブ（18）を介して、気密な搬
送予備室（22）が設けられている。ゲートバルブ（18）
を開閉することにより、半導体ウエハ（２）を反応チャ
ンバ（１）内に搬入及び搬出することが出来る。搬送予
備室（22）には伸縮回転自在にウエハ（２）を保持搬送
するハンドアーム（19）と、ウエハ（２）を例えば25枚
程度収納したカセット（20）を載置して昇降可能な載載
台（21）が内蔵されている。

また、上記した熱電対およびパイロメータの各温度検
知機構により検知した結果による温度制御や、膜形成装
置の動作制御および設定制御は制御部（23）により制御
される。

次に、上述した膜形成装置による半導体ウエハ（２）
への選択的な膜形成方法を説明する。

予備室（22）の図示しない開閉口よりロボットハンド
又は人手により、例えば被処理半導体ウエハ（２）が25
枚程度所定の間隔を設けて積載収納されたカセット（2
0）を、昇降可能な載置台（21）上に載置する。この
時、ゲートバルブ（18）は閉じた状態で、反応チャンバ
（１）内は既に、真空ポンプ（10）の働きで所望の低圧
状態となる様に減圧されている。このようにして、カセ
ット（20）をセットした後、搬送予備室（22）の図示し
ない開閉口は気密となる如く閉じられ、図示しない真空
ポンプで反応チャンバ（１）と同程度に減圧する。

次に、ゲートバルブ（18）が開かれ、所望の低圧状態
を保ち、載置台（21）の高さを調整することにより、半
導体ウエハ（２）を伸縮自在なハンドアーム（19）で、
カセット（20）から所望の１枚を取り出し、反応チャン
バ（１）内に搬入する。この時、支持体（５）が昇降機
構（４）により下降していて、ウエハ（２）を被処理面
を下向きに支持体（５）上に載置する。そして、昇降機
構（４）で支持体（５）を上昇し、ウエハ（２）を設置
台（３）と支持体（５）で挟持し熱電対（６）と半導体
ウエハ（２）とが接触するように設置する。この時既
に、IRランプ（８）で載置台（３）は加熱されている。
この場合、支持体（５）のウエハ（２）当接面は熱伝導
率の低いセラミック等で構成すると、ウエハ（２）の熱
分布が一様となり、処理ムラが防止できる。また、半導
体ウエハ（２）の設置台（３）への設置が終了すると、
ハンドアーム（19）を搬送予備室（22）内に収納し、ゲ
ートバルブ（18）を閉じる。

次に、半導体ウエハ（２）の被処理面例えばウエハ
（２）上面積の数拾パーセントしめるアルミ上へＷ膜を
堆積させる処理を開始する。又、処理中は、反応チャン
バ（１）内を所望の低圧状態例えば100〜200mmTorrに保
つ如く真空ポンプ（10）で常に排気制御しておく。

まず、半導体ウエハ（２）の被処理面の温度をIRラン
プ（８）で所望の温度帯例えば370℃程度となる如く急
加熱する。この時、ウエハ（２）から放射される赤外線
の放射エネルギーをパイロメータ（16）を用いて、ウエ
ハ（２）の温度を非接触で検知し、制御部（23）におい
て、IRランプ（８）への出力を制御する。そして、この
急加熱後、ウエハ（２）が所望の温度である例えば370
℃に安定し、ウエハ（２）と接触して設けられた熱電対
（６）が検知する温度が安定したところで、ウエハ
（２）温度検知を、パイロメータ（16）から熱電対
（６）に手動または自動的に切換え、熱電対（６）で検
知した温度により制御部（23）で温度調整を行なう。

制御部（23）におけるウエハ（２）の温度制御は、例
えば第３図に示すようなブロック図に従って行なわれ
る。

IRランプ（８）によりウエハ（２）の加熱が開始され
ると、その温度はパイロメータ（13）により検出され
る。加熱は、予め設定された昇温スピードに従って行な
われる。パイロメータ（13）による検出値は、コンパレ
ーターにおいて基準値、この場合370℃に対応する値と
比較され、その出力信号はIRランプ（８）電流コントロ
ーラー（IRランプ回路コントローラ）を介してIRランプ
（８）に入力される。このようにして、ウエハ（２）の
温度が370℃に維持され、その後、温度検出は、熱電対
に切替えられ、同様にして温度制御が行なわれる。

その後、ガス導入口（11,12）から、流量制御機構（1
3）で反応ガスを構成する膜成長用ガス例えばWF₆、還元
用ガス例えばH₂、キャリアガス例えばArを所定量流出
し、化学的な気相成長を行なう。この流量および被処理
基板であるウエハ（２）の温度制御を表−１に示す如く
制御すると、被処理面例えばアルミ上に、Ｗ膜を選択的
に堆積することができる。

上記表に示すステップ１〜８においては、まずステッ
プ１においてArガスの導入を開始し、ステップ２におい
て加熱を開始する。

その後、ステップ３〜６において基板温度が一定とな
ったところで、ステップ７においてWF₆ガスおよびH₂ガ
スを導入する。WF₆ガスおよびH₂ガスの導入により、下
記反応式に従って反応が進行し、半導体ウエハ（２）表
面で化学的気相成長が行なわれる。

WF₆＋3H₂→Ｗ＋6HF↑ 上式で表わすWF₆とH₂の反応による処理を実行してい
る。ここで、上記各ステップによるウエハ（２）の温度
検知手段のパイロメータ（16）から熱電対（６）への切
換えは、ステップ7.の化学的気相成長処理を行なう前に
切換えれば良いが予めステップ6.の段階で行なっても良
く、その前に熱電対（６）の検知する温度が安定した時
点に行なっても良い。

ここで、上記表に示した処理を熱電対（６）のみの温
度制御で行なった場合のウエハ（２）の温度変化を第２
図に示す。この第２図において、横軸を時間、縦軸を温
度とし、熱電対（６）で検知したウエハ（２）温度を実
線・パイロメータ（16）で検知したウエハ（２）温度を
点線として示す。このグラフからもわかるようにウエハ
（２）をIRランプ（８）で急加熱した時、応答速度の遅
い熱電対（６）で370℃付近を示しても、応答速度の速
いパイロメータ（16）では、600℃以上となっており、
設定温度よりもかなりオーバーシュートしていることが
わかる。又、ステップ7.による化学的気相長成処理時に
は、温度が安定したら信頼性の高い熱電対（６）では、
370℃付近を示しているにもかかわらず、パイロメータ
（16）では、被処理面と堆積物質の放射率が異なるた
め、放射率の変化にともなって変動していることがわか
る。

上記のことから、熱電対（６）で対応できない急加熱
をする時は、パイロメータ（16）で温度検知した結果か
ら温度制御を実行し、パイロメータ（16）で対応できな
い放射率の変化をともなう処理をする時は、熱電対
（６）で温度検知した結果から温度制御することが良い
ことがわかる。

尚、上記のような処理を実行する前には、ウエハ
（２）表面に形成された自然酸化膜等の不用な膜を、こ
のチャンバ（１）内でプラズマエッチングして除去して
いる。

又、設置台（３）とガス導入口（11,12）間に設けた
円板状流れ制御板（14）の位置を移動機能で調整するこ
とで、設置された半導体ウエハ（２）の被処理面により
均一に反応ガスが接する如く、反応ガスの流れを制御す
ることができる。

そして、所望の膜形成が終了すると、反応ガスの流出
を止められ、昇降機構（４）で支持体（５）がウエハ
（２）を支持した状態で降下し、ゲートバルブ（18）が
開かれ、伸縮回転自在なハンドアーム（19）により半導
体ウエハ（２）を反応チャンバ（１）より搬出するとと
もにゲートバルブ（18）を閉じて処理が完了する。

上記実施例では、膜成長用ガスにWF₆を用いて、Ｗ膜
をH₂還元により被処理面上に堆積させる例について説明
したが、還元ガスにSiH₄ガスを用いて、下式に示すよう
なSiH₄の還元によりＷ膜を被処理面上に堆積させても良
い。

2WF₆＋3SiH₄→2W＋3SiF₄＋6H₂ さらに、処理は化学的気相成長処理に限定するもので
はなく、被処理基板を急加熱した後に、被処理面の赤外
線の放射率の変化をともなう処理を実行するものなら何
れでも良く、例えばエッチング処理などにも適宜応用で
きることは言うまでもない。さらに又、被処理基板を急
加熱するものはIRランプに限定するものではなく、例え
ばヒータにより加熱しても良く、温度検知機構も熱電対
やパイロメータに限定するものではない。

また上記実施例は、枚葉処理を行なう例であるが、本
発明は枚葉処理に限らず、多数の半導体ウエハを一度に
処理するバッチ処理にも同様の適用可能である。この場
合、すべてのウエハにつき温度の検出を行なうことは困
難なので、両側と真中の計３枚のウエハにつき温度の検
出を行なうことで十分である。

上記実施例において、被処理基板の加熱は、赤外線ラ
ンプの照射や、通常のヒータ等、加熱可能な加熱方法で
あれば何れでも良い。上記実施例において非接触温度検
出器としては、パイロメータ（16）が接触温度検出器と
しては、熱電対（サーモカップル）がそれぞれ使用され
ているがこれに限定されるものではない。

上記実施例において、第４図に示すようにパイロメー
タ（16）を反応チャンバ（１）の側方に設けても良い。

本発明が適用される処理方法としては、蒸着（evapor
ation）、スパッタリング（sputtering）、加熱CVD（th
ermal CVD）、ウェットエッチング（wet etching）、プ
ラズマエッチング（plasma etching）、オゾンアッシャ
（ozone ashing）、プラズマアッシュア（plasma ashin
g）等、種々のものが挙げられる。特に、プラズマの発
生を伴わない処理に好適に適用可能である。

（発明の効果）以上要するに本発明によれば、次のような効果が得ら
れる。

（１）本発明の処理方法によれば、温度制御を行う期間
のうち急加熱をともなう期間被処理基板の温度を被処理
面からの放射率により検知する非接触型の温度検知機構
により検知し、その後接触型の温度検知機構により検知
して温度制御を行うため、急加熱を伴う昇温工程におい
ては応答性の良い非接触型の温度検知機構により、その
後の放射率の変化を伴う処理工程においては放射率の変
化に左右されない接触型の温度検知機構によりそれぞれ
非処理基板の温度を正確に検出することができ、非処理
基板を正確な温度に制御しながら処理することができ
る。

（２）本発明の処理装置によれば、反応チャンバに設け
られて被処理基板の温度を被処理面からの放射率により
検知する非接触型の温度検知機構と、設置台に設けられ
て非処理基板の温度を直接検知する接触型の温度検知機
構と、温度制御を行う期間のうち急加熱をともなう期間
非処理基板の温度を上記非接触型の温度検知機構により
検知し、その後上記接触型の温度検知機構により検知し
て温度制御を行う制御部とを備えているため、急加熱を
伴う昇温工程においては応答性の良い非接触型の温度検
知機構により、その後の放射率の変化を伴う処理工程に
おいては放射率の変化に左右されない接触型の温度検知
機構によりそれぞれ被処理基板の温度を正確に検出し
て、被処理基板を正確な温度に制御しながら処理するこ
とができ、処理効率の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を化学的気相成長による薄膜形成を行う
処理装置に適用した一実施例を説明するための概略構成
説明図、第２図は、第１図のウエハの温度制御を熱電対
で測定し、パイロメータが検知した温度との差を説明す
るための温度座標説明図、第３図は第１図のウエハの温
度制御を説明するためのブロック説明図、第４図は第１
図において、パイロメータを他の位置に配置した概略構
成説明図である。１……反応チャンバ、２……半導体ウエハ５……支持体、６……熱電対８……IRランプ、15……空間 16……パイロメータ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理基板を温度制御しながら急加熱しそ
の後所望の温度帯で被処理基板の被処理面の放射率の変
化をともなう処理をする処理方法において、上記温度制
御を行う期間のうち急加熱をともなう期間被処理基板の
温度を被処理面からの放射率により検知する非接触型の
温度検知機構により検知し、その後接触型の温度検知機
構により検知して温度制御を行うことを特徴とする処理
方法。
【請求項２】反応チャンバ内の設置台に被処理基板を設
置し、この被処理基板を温度制御しながら急加熱しその
後所望の温度帯で被処理基板の被処理面の放射率の変化
をともなう処理をする処理装置において、上記反応チャ
ンバに設けられ、被処理基板の温度を被処理面からの放
射率により検知する非接触型の温度検知機構と、上記載
置台に設けられ、被処理基板の温度を直接検知する接触
型の温度検知機構と、上記温度制御を行う期間のうち急
加熱を伴う期間被処理基板の温度を上記非接触型の温度
検知機構により検知し、その後上記接触型の温度検知機
構により検知して温度制御を行う制御部とを備えたこと
を特徴とする処理装置。