JP3901958B2 - 熱処理装置設定温度の作成方法、および熱処理方法 - Google Patents
熱処理装置設定温度の作成方法、および熱処理方法 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理体に膜を形成するなどの熱処理を行うための熱処理装置設定温度の作成方法、および熱処理方法に係り、特に、特定の熱処理によって膜を精度よく形成するのに適する熱処理装置設定温度の作成方法、および熱処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置などを製造するプロセスにおいて、ウエハを熱処理しその表面に特定の膜を形成する工程は欠かせない。このような工程で比較的高温(例えば750℃から900℃程度)の熱処理装置内でなされるものには、例えば、CVD(chemical vaper deposition)プロセス、酸化・拡散プロセスなどがある。
【0003】
熱処理装置は、通常、複数のウエハを棚状に配列して保持するウエハボートと呼ばれる保持具と、この保持具を収納し取り囲む筒状の反応管と、この反応管の側面を囲む環体上でその軸方向に分割された複数のヒータとを有し、さらに反応管に反応ガスを導入するガス導入管と、反応管から排ガスを除去するための排気管とを備えている。
【0004】
ヒータには、所定のパワーが供給されて、成膜のためのウエハ温度を保つよう制御がなされている。ここで、実際には、膜形成途上におけるウエハ温度そのものを測定することが困難であることから、その代替となる部位の測定温度を用いるのが一般的である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このようなヒータ出力の制御は、精度を確保してウエハ上に成膜などの熱処理を行うための必須条件である。以下では、熱処理の代表として、成膜工程を例に挙げ説明する。
【0006】
成膜工程では、ウエハ温度が設定とわずかでも異なることにより、膜厚、膜質が変化する。例えば、ある成膜工程では、その温度の1℃の違いは形成膜厚の0.1nmの違いになる。したがって、ある膜の厚さが全体で数nmから数十nm程度の場合では、数百℃に対して少なくとも数℃以内の制御が必要である。
【0007】
また、熱処理する複数のウエハの配列方向に分割された複数のヒータそれぞれの制御は、その設定温度を含めて異なるようにするのが普通である。これは、例えば、反応ガスの濃度がガス導入側から排気側へ一定の流れが与えられていることから反応管内において均一にはならず、このため、反応管のいずれの部位においても同一の温度制御を行うと反応管内での各ウエハ上の膜厚がかえって不均一になるからである。
【0008】
このように、反応管内のウエハに一様かつ高精度の膜厚形成を行うためには複数のヒータに対応する反応管内の設定温度を最適化(校正を何度か行い許容範囲内の膜厚が得られるようにすること)することが必要である。
【0009】
設定温度を最適化するには、例えば、反応管内に複数の試験ウエハを載置してある設定温度で膜形成を行い、その成膜結果を測定器で測定し、所望の膜厚からの誤差により複数のヒータに対応する反応管内の設定温度をシフトする方法を用いることができる。シフトされた設定温度により再び試験ウエハを用いて同様に行い、所望の膜厚からの誤差が仕様内に収まるまで繰り返す。このようにして収束した設定温度が、複数のヒータに対応する反応管内の最適化された設定温度である。
【0010】
ところで、半導体製造プロセスにおいては異種の膜を積層して形成することがなされる。このような場合、それぞれの膜形成プロセスについて複数のヒータに対応する反応管内の最適化された設定温度を求めればよい。
【0011】
すなわち、例えば、第1の膜を形成しその上に第2の膜を形成する場合でいえば、まず、第1の膜形成について、上記の手法で複数のヒータに対応する反応管内の最適化された設定温度を求める。次に、その最適化された設定温度で第1の膜が形成されたウエハを用いて、第2の膜形成について、上記の手法で複数のヒータに対応する反応管内の最適化された設定温度を求める。このように形成する膜ごとに独立して設定温度の最適化を行うことができる。
【0012】
しかしながら、半導体製造プロセスにおいては第1の膜と第2の膜とが連続的に形成されなければならない場合がある。「連続的に」とは、熱処理装置にウエハをロードして第1の膜を成長させたあと、熱処理装置からウエハを一旦アンロードさせることなく引き続き第2の膜を形成することをいう。
【0013】
このような場合は、第1および第2の膜が形成されたウエハについてしか成膜結果を測定器で測定することができない。したがって、上記に述べた形成する膜ごとの独立しての設定温度の最適化手法を用いることができない。
【0014】
さらに、この場合において、第1の膜と第2の膜との成膜結果の測定には2通りの場合が考えられる。すなわち、ひとつは、第1の膜と第2の膜とが形成されたウエハにおいて、個々の膜厚を区別して測定することができずそれら2つの膜を合計した膜厚のみ測定できる場合である(例えば、窒化膜上にもうひとつの窒化膜を形成する場合)。もうひとつは、第1の膜と第2の膜とが形成されたウエハにおいて、いずれの膜も区別して膜厚を測定できる場合である(例えば、酸化膜上に窒化膜を形成する場合)。
【0015】
前者では、成膜結果を第1か第2かいずれかの膜形成のための設定温度の最適化に用いることができるが、これによっては、第1の膜と第2の膜の合計膜厚については管理することができるようになるが個々の膜については膜厚管理がなされないことになる。また、成膜結果を第1および第2の膜形成の温度設定に適当に分配して設定温度の最適化をすることも考えられるが、実際には、その分配が適切であるかは不明であり、結果的に個々の膜について膜厚管理をしたことにはならない。
【0016】
後者では、最適化する順序を適切に行う必要がある。すなわち、第1および第2の膜の形成に続いて第2の膜について設定温度の最適化を行い、その後第1の膜について設定温度の最適化を行うと、第1の膜についての設定温度の最適化が第2の膜についての設定温度の最適化の結果に影響を及ぼすおそれがある。それによっては、再び第2の膜について設定温度の最適化を行う必要があり、効率的な設定温度の最適化がなされなくなる。
【0017】
以上では、熱処理として成膜工程を例に挙げ説明したが、これは、かかる熱処理装置で行う熱処理一般について言える。
【0018】
本発明は、上記のような事情を考慮してなされたもので、被処理体に成膜するなどの熱処理を行うための熱処理装置設定温度の作成方法、熱処理方法において、連続的に熱処理を行うことによる結果、例えば形成膜厚それぞれについて、反応管内の設定温度の最適化が可能な熱処理装置設定温度の作成方法、および熱処理方法を提供することを目的とする。
【0019】
また、連続的に熱処理を行うことによる結果、例えば形成膜それぞれについての複数のヒータに対応する反応管内の設定温度の最適化が、熱処理装置内の被処理体同士の熱処理結果、例えば形成膜厚のばらつきが小さくなるよう考慮するものである熱処理装置設定温度の作成方法、および熱処理方法を提供することを目的とする。
【0020】
また、連続的に熱処理を行うことによる結果、例えば形成膜それぞれについての複数のヒータに対応する反応管内の設定温度の最適化が、熱処理装置内の各被処理体間の熱処理結果、例えば形成膜厚のばらつきが小さくなりかつ各被処理体内の熱処理結果、例えば形成膜厚のばらつきも小さくなるよう考慮するものである熱処理装置設定温度の作成方法、および熱処理方法を提供することを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る熱処理装置設定温度の作成方法は、被処理体に連続的に第1、第2の熱処理を行う熱処理装置の設定温度の作成方法において、前記被処理体に第1の熱処理を行うための第1の設定温度を、第1の試験被処理体に第1の校正前設定温度で第1の熱処理を行う工程と、前記第1の熱処理がされた第1の試験被処理体における前記第1の熱処理の結果を測定する工程と、前記測定された第1の熱処理結果より前記第1の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと、前記第1の熱処理がなされた前記被処理体に第2の熱処理を行うための第2の設定温度を、前記求値された第1の設定温度で第1の熱処理がされた第2の試験被処理体に第2の校正前設定温度で第2の熱処理を行う工程と、前記第1および第2の熱処理がされた第2の試験被処理体における前記第1、第2合計の熱処理結果を測定する工程と、前記測定された合計の熱処理結果より前記第2の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップとを有することを特徴とする。
【0022】
すなわち、まず、連続的に行う第1および第2の熱処理のうち第1のもののみを抜き出して処理を行い、第1の熱処理がされた被処理体の熱処理結果を測定することによりこの第1の熱処理について反応管内の設定温度の最適化を行う。
【0023】
次に、その最適化された設定温度を適用して、第1および第2の熱処理を連続して行い、その第1および第2の熱処理がされた被処理体の合計の熱処理結果を測定する。これにより、第2の熱処理について設定温度の最適化を行う。第1の熱処理については、その設定温度はすでに最適化されたものであるので、結果的に第2の熱処理についても反応管内の設定温度の最適化がなされることになる。
【0024】
したがって、連続的に形成される膜それぞれについての複数のヒータに対応する反応管内の設定温度の最適化が可能になる。
【0025】
また、さらに、前記第2の熱処理がなされた前記被処理体に第3の熱処理を行うための第3の設定温度を、前記求値された第1の設定温度で第1の熱処理がされかつ前記求値された第2の設定温度で第2の熱処理がされた第3の試験被処理体に第3の校正前設定温度で第3の熱処理を行う工程と、前記第1、第2、および第3の熱処理がされた第3の試験被処理体における前記第1、第2、第3の合計の熱処理結果を測定する工程と、前記測定された合計の熱処理結果より前記第3の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップを有することを特徴とする。
【0026】
これは、連続的に3つの熱処理を行う場合の方法であり、考え方は同様である。
すなわち、第1の熱処理結果について反応管内の設定温度の最適化が行われ、これを適用して第1および第2の熱処理結果について反応管内の設定温度の最適化が行われ、さらに、これを適用して第1、第2、および第3の熱処理結果について反応管内の設定温度の最適化が行われる。結果的に、第1、第2、第3の熱処理結果ともに管理できるようになる。なお、連続的に4つ以上の熱処理を行う場合についても同様に対処することが可能である。
【0027】
また、前記第1、第2、または第3の設定温度は、それぞれ対応する熱処理の間一定とすることができる。これによれば、熱処理装置内の被処理体同士の熱処理結果、例えば形成膜厚のばらつきを小さくすることができる。各被処理体内での平均的な膜厚は、その温度の高低に依存して決定されるからである。
【0028】
また、前記第1、第2、または第3の設定温度は、それぞれ対応する熱処理の間変化するものであるとすることができる。これによれば、熱処理装置内の被処理体同士の熱処理結果、例えば形成膜厚のばらつきを小さくすることに加えて、各被処理体内での熱処理結果、例えば形成膜厚のばらつきをも小さくすることができる。設定温度を熱処理中に変化させることにより、被処理体中を伝わる熱の伝導速度を利用し被処理体の外周部と中心部とで適切な温度勾配を生じさせられるからである。すなわち、被処理体の外周部と中心部とでは、成膜ガスの濃度など成膜条件が異なるのを適切な温度勾配により相殺しようとするものである。
【0029】
また、前記第1、第2、または第3の設定温度は、それぞれ対応する熱処理の間変化しかつ複数のヒータそれぞれに対応する各ゾーンでその変化のし方が異なるものであるとすることができる。これは、上記の場合の加えて、熱処理条件が、棚状に載置された被処理体の配列方向でさらに異なる場合にも対応するものである。
【0030】
また、好ましい実施態様として、請求項1記載の熱処理装置設定温度の作成方法において、前記熱処理装置は、複数のヒータそれぞれに対応する複数のゾーンを有してこの複数のゾーンにて前記被処理体を熱処理し、前記第1の熱処理は、熱酸化によるゲート酸化膜の形成工程であり、前記第2の熱処理は、前記熱酸化により形成されたゲート酸化膜の酸窒化膜化工程であり、前記第1、第2の設定温度は、前記複数のゾーンそれぞれについて存在する方法を挙げることができる。
【0031】
また、本発明に係る熱処理装置設定温度の作成方法は、被処理体に連続的に第1、第2の熱処理を行う熱処理装置の設定温度の作成方法において、前記被処理体に第1の熱処理を行うための第1の設定温度を、第1の試験被処理体に第1の校正前設定温度で第1の熱処理を行う工程と、前記第1の熱処理がされた第1の試験被処理体に第2の熱処理を行う工程と、前記第1および第2の熱処理がされた第1の試験被処理体において前記第1の熱処理の結果を測定する工程と、前記測定された第1の熱処理結果より前記第1の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと、前記第1の熱処理がなされた前記被処理体に第2の熱処理を行うための第2の設定温度を、前記求値された第1の設定温度で第1の熱処理がされた第2の試験被処理体に第2の校正前設定温度で第2の熱処理を行う工程と、前記第1および第2の熱処理がされた第2の試験被処理体における前記第2の熱処理の結果を測定する工程と、前記測定された第2の熱処理の結果より前記第2の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップとを有することを特徴とする。
【0032】
すなわち、まず、連続的に第1および第2の熱処理を行い、第1および第2の熱処理がされた被処理体の第1の熱処理結果を測定することによりこの第1の熱処理について反応管内の設定温度の最適化を行う。
【0033】
次に、その最適化された設定温度を適用して、第1および第2の熱処理を連続して行い、その第1および第2の熱処理がされた被処理体の第2の熱処理結果を測定する。これにより、第2の熱処理について反応管内の設定温度の最適化を行う。
【0034】
したがって、連続的になされる熱処理結果それぞれについての反応管内の設定温度の最適化が可能になる。この場合において、先になされる第1の熱処理について設定温度の最適化がまずなされ、次に、後からなされる第2に熱処理について設定温度の最適化がなされているので、再び第1の熱処理について設定温度の最適化をする必要が生ずることがなく、効率的に反応管内の設定温度の最適化がなされる。
【0035】
また、本発明に係る熱処理方法は、被処理体に連続的に第1、第2の熱処理を行う熱処理方法において、前記被処理体に第1の熱処理を行うための第1の設定温度を、第1の試験被処理体に第1の校正前設定温度で第1の熱処理を行う工程と、前記第1の熱処理がされた第1の試験被処理体における前記第1の熱処理の結果を測定する工程と、前記測定された第1の熱処理結果より前記第1の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと、前記第1の熱処理がなされた前記被処理体に第2の熱処理を行うための第2の設定温度を、前記求値された第1の設定温度で第1の熱処理がされた第2の試験被処理体に第2の校正前設定温度で第2の熱処理を行う工程と、前記第1および第2の熱処理がされた第2の試験被処理体における前記第1、第2合計の熱処理結果を測定する工程と、前記測定された合計の熱処理結果より前記第2の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと、前記求値された第1の設定温度にて前記被処理体上に前記第1の熱処理を行うステップと、前記第1の熱処理がなされた被処理体上に前記求値された第2の設定温度にて第2の熱処理を行うステップとを有することを特徴とする。
【0036】
この熱処理方法は、先に述べた熱処理装置設定温度の作成方法により得られた設定温度を用いて熱処理装置を運転し被処理基板に熱処理するものである。
【0037】
この場合において、連続的に3つ以上の熱処理をする場合も上記と同様になすことができる。
【0038】
また、前記第1、第2、または第3の設定温度の設定温度についても上記と同様に、それぞれ対応する熱処理の間一定とする、それぞれ対応する熱処理の間変化する、それぞれ対応する熱処理の間変化しかつ前記各ゾーンでその変化のし方が異なるのいずれも用いることができる。
【0039】
また、好ましい実施態様として、請求項8記載の熱処理方法は、複数のヒータそれぞれに対応する複数のゾーンを有してこの複数のゾーンにて前記被処理体を熱処理する熱処理装置に適用され、前記第1の熱処理は、熱酸化によるゲート酸化膜の形成工程であり、前記第2の熱処理は、前記熱酸化により形成されたゲート酸化膜の酸窒化膜化工程であり、前記第1、第2の設定温度は、前記複数のゾーンそれぞれについて存在することを特徴とする方法を挙げることができる。
【0040】
また、本発明に係る熱処理方法は、被処理体に連続的に第1、第2の熱処理を行う熱処理方法において、前記被処理体に第1の熱処理を行うための第1の設定温度を、第1の試験被処理体に第1の校正前設定温度で第1の熱処理を行う工程と、前記第1の熱処理がされた第1の試験被処理体に第2の熱処理を行う工程と、前記第1および第2の熱処理がされた第1の試験被処理体において前記第1の熱処理の結果を測定する工程と、前記測定された第1の熱処理結果より前記第1の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと、前記第1の熱処理がなされた前記被処理体に第2の熱処理を行うための第2の設定温度を、前記求値された第1の設定温度で第1の熱処理がされた第2の試験被処理体に第2の校正前設定温度で第2の熱処理を行う工程と、前記第1および第2の熱処理がされた第2の試験被処理体における前記第2の熱処理の結果を測定する工程と、前記測定された第2の熱処理の結果より前記第2の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと、前記求値された第1の設定温度にて前記被処理体上に前記第1の熱処理を行うステップと、前記第1の熱処理がなされた被処理体上に前記求値された第2の設定温度にて第2の熱処理を行うステップとを有することを特徴とする。
【0041】
この熱処理方法も、先に述べた熱処理装置設定温度の作成方法により得られた設定温度を用いて熱処理装置を運転し被処理基板に熱処理するものである。
【0042】
さらに、熱処理方法における各ステップを実行する物理的構成を有することにより熱処理装置を得ることができる。
【0043】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0044】
図1は、本発明のひとつの実施形態を説明するための構成図である。同図に示すように、この実施形態は、反応管11およびその付帯部、状態推定部37、制御部38、並びにオフラインで使用する最適化部39を有するひとつのシステムである。反応管11およびその付帯部は正面断面図で示してあり、状態推定部37、制御部38、および最適化部39はブロック図で示してある。
【0045】
反応管11は、上端がふさがれており、下端がベースプレート17の下側でマニホールド16の上端に気密に接合されている。内管12は、上端が開口されており、下端がマニホールド16の内方側に支持されている。
【0046】
反応管11では、多数枚例えば150枚の被処理体であるウエハ14がおのおの水平の状態で上下方向に間隔をおいて保持具であるウエハボート13に棚状に載置されて配列され、このウエハボート13は蓋体18の上に保温筒(断熱体)15を介して保持されている。蓋体18は、ウエハボート13を反応管11内に搬入、搬出するためのボートエレベータ19の上に搭載されており、上限位置にあるときにはマニホールド16の下端開口部、すなわち反応管11とマニホールド16とで構成される処理容器の下端開口部を閉塞する。
【0047】
反応管11の周囲には例えば抵抗加熱体よりなるヒータ22〜26が環体状に設けられており、ヒータ22〜26は図示のようにその軸方向(ウエハ14の配列方向)に分割されている。これらのヒータ22〜26は、制御部38によりそれぞれ独立に発熱量を制御され得る。
【0048】
マニホールド16には、内管12内にガスを供給するためのガス供給管20が設けられ、また、マニホールド16には、内管12と反応管11との間隙から排気するように排気管21が接続されている。ガス供給管20は、異種のガスを供給するため、通常、複数設けられるが、簡略のためひとつのみ表示している。排気管21の途中には圧力調整部(図示せず)が設けられ、これにより反応管11内の圧力が調整される。
【0049】
ヒータ22〜26の内側面には、外部熱電対27〜31がそれぞれ設けられその部位の温度を検出する。また、内管12の内面には内部熱電対32〜36がそれぞれ外部熱電対27〜31に対応するように設けられ、その部位の温度を検出する。
【0050】
外部熱電対27〜31、および内部熱電対32〜36により検出された温度は状態推定部37に導かれる。また、状態推定部37には、制御部38により各ヒータ22〜26を制御する制御量も導かれている。状態推定部37は、これらの温度および制御量から反応管11で熱処理されているウエハ14の状態(この場合は温度)を推定するものである。このような推定を行うのは、実際にウエハ14に熱処理を施している間のその温度を直接測定することが非常に困難であり、かつ、ウエハ14の温度はそこに形成される膜の成長に直接関与するパラメータでありしたがってこれを制御することが本来的に必要だからである。
【0051】
この推定のためには、ヒータ27〜31への制御量、外部熱電対27〜31の検出温度、および内部熱電対32〜36の検出温度を基にウエハ14の温度を推定するモデルをあらかじめ求めておき、このモデルを状態推定部37に保持させておく。これにより、状態推定部37は、反応管11およびその付帯部の熱的モデル部となり、ヒータ27〜31への制御量、外部熱電対27〜31の検出温度、および内部熱電対32〜36の検出温度の入力によりウエハ14の温度を推定することができる。
【0052】
なお、推定されるウエハ14の温度は、上記モデルの設定のし方によりウエハボート13に載置されるウエハ14のうち任意の位置に載置される複数のものについて、推定対象とすることができる。以下の説明では、推定対象の数(位置)を5とし、その位置をウエハボート13のそれぞれ上部、中上部、中部、中下部、下部のものとする。
【0053】
さらに、推定されるウエハ14の温度は、上記モデルの設定のし方により、ウエハ14内の特定の2箇所以上の位置についてその対象とすることもできる。特定の位置には、例えばウエハ14の外周部と中心部の2箇所とするのを例示することができる。このような2箇所を選ぶと、被処理体中を伝わる熱の伝導速度を利用しウエハ14の外周部と中心部とで適切な温度勾配を生じさせる場合に有用となる。
【0054】
推定されたウエハ14の温度は制御部38に導かれる。制御部38では、設定温度と比較し、適切な制御量を算出し、算出された制御量を各ヒータ22〜26、および状態推定部37に与える。
【0055】
この設定温度は、通常の半導体製造においては最適化されたものを用いる。最適化とは、上記でも述べたように、校正を何度か行い許容範囲内の熱処理結果、例えば所定の膜厚の膜が得られるようにすることをいう。本発明では、この最適な設定温度を求める手法に特徴がある。このため、通常の半導体製造に先立ち、図1(a)に示す装置に試験のためのウエハを載置し膜形成プロセスを実際に動作させ、その試験ウエハの成膜結果を得る。成膜結果は、同図(b)に示すように、オフラインの最適化部39に入力され、これにより最適化部39は、修正設定温度を出力する。この修正設定温度を同図(a)に示す装置に適用し再び同様にして成膜結果を得る。なお、最適化部39には、パーソナルコンピュータに所定のプログラムを組み込んだものを用いることができる。
【0056】
なお、図1(a)に示す装置の実際は、これ以外に制御すべきものとしてガス供給管20からのガス流量、反応管11内の圧力などがあり、これらの制御もなされる。これらの部分は、本発明としての動作に直接は関係しないので図示を省略する。
【0057】
ちなみに、上記の設定温度、ガス流量、反応管11内の圧力などは、熱処理たる成膜工程の成膜すべき膜の種類・膜厚によりおのおの異なり、特定の成膜それぞれにおける設定温度、ガス流量、反応管11内の圧力などについての処理手順をレシピと呼んでいる。本発明の説明には、ガス流量、反応管11内の圧力などは直接関係せず、設定温度についての処理手順が関係する。
【0058】
ここで、図1に示した実施形態における装置の設定温度の作成方法について図2ないし図4を参照して説明する。図2ないし図4は、連続的に形成されるふたつの膜それぞれについて、複数のヒータに対応する反応管内の設定温度の最適化を行う手順を示す流れ図である。このふたつの膜は積層され連続的に形成される。ここでの例では、積層された膜の厚さを個々に測定することはできず、合計の膜厚が測定できるのみである場合とする(例えば、窒化層にもうひとつの窒化層を積層する場合がこれに当たる。)。
【0059】
このような積層膜について、膜厚仕様は、まず、合計膜厚である値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること(たとえば、中心値4nmでそのばらつき0.5%以内)が課されているものとする。さらに、下層である第1の膜についてもある値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること(例えば、中心値1.5nmでそのばらつき1%以内)が課されているものとする。
【0060】
このような仕様が課されるときには、図2に示すように、まず下層である第1の膜を形成するための設定温度を最適化し(ステップ121)、次に上層の膜である第2の膜を形成するための設定温度を最適化する(ステップ122)。
【0061】
第1の膜を形成する設定温度の最適化のためには、図3に示すように、まず、図1(a)に示した装置内の複数のウエハ(試験ウエハ)に第1の膜を成膜する(ステップ131)。複数のウエハには、上記に述べたウエハボート13のそれぞれ上部、中上部、中部、中下部、下部のもの(計5枚)が含まれる。また、通常は、第1の膜の形成に引き続き(すなわち装置からウエハを一旦アンロードすることなく)第2の膜を形成するが、ここでは、第1の膜の成膜のみで止め、装置から試験ウエハをアンロードする。なお、ここでの第1の膜の成膜設定温度は、ごく標準的なもの(例えば制御すべき上記5つのウエハに対して同一の温度)を用いる。
【0062】
アンロードされた試験ウエハは、エリプソメータ等の膜厚測定器を用いて第1の膜の厚さが測定される(ステップ132)。この成膜結果を図1(b)に示した最適化部39に入力し(ステップ133)、これに対し最適化部39は修正された設定温度を算出し出力する(ステップ134)。
【0063】
この算出のためには、温度などのパラメータの値に対して成長する膜厚の物理的モデルをあらかじめ最適化部39に組み込んでおき、これを用いて成膜結果と現在の設定温度とから適切と考えられる新たな設定温度を導出する手法を採ることができる。
【0064】
修正設定温度を得たならば、これを適用して再び別の試験ウエハを用いて装置で第1の膜を成膜する(ステップ135)。そして、第1の膜の成膜のみで止めてその試験ウエハを装置からアンロードする。アンロードされた試験ウエハは、上記と同様に、エリプソメータ等の膜厚測定器を用いて第1の膜の厚さが測定される(ステップ136)。
【0065】
この測定結果は、上記で述べたウエハ対ウエハの仕様(例えば、中心値1.5nmでそのばらつき1%以内)と比較される(ステップ137)。この仕様に収まれば第1の膜を形成するための第1の設定温度の最適化は終了する。ここで用いた設定温度が最適化された第1の設定温度である。
【0066】
この仕様に収まらない場合は、ステップ133に戻りその測定結果を最適化部39に入力しやり直す。このようにして、最終的に仕様内に収まる第1の膜を形成するための第1の設定温度が得られる。
【0067】
このように、連続して形成されるふたつの膜のうち第1の工程のみを抜き出して成膜・測定し、第1の膜に課される仕様を満足できる第1の設定温度を決定することができる。
【0068】
次に、上層の膜である第2の膜を形成するための設定温度を最適化する。このためには、図4に示すように、まず、装置内の複数のウエハ(試験ウエハ)に上記のように最適化された設定温度で第1の膜を成膜し、引き続き(すなわちアンロードすることなく)第2の膜を成膜する(ステップ141)。複数のウエハには、上記に述べたウエハボート13のそれぞれ上部、中上部、中部、中下部、下部のものが含まれる。第2の膜を成膜する設定温度は、ごく標準的なもの(例えば制御すべき上記4つのウエハに対して同一の温度)を用いる。このようにして第1、第2の膜が積層的に形成されたら装置から試験ウエハをアンロードする。
【0069】
アンロードされた試験ウエハは、エリプソメータ等の膜厚測定器を用いて第1および第2の膜の合計厚が測定される(ステップ142)。上記で述べたように、この状態において、第1の膜、あるいは第2の膜を個別に膜厚測定はできない。この成膜結果を図1(b)に示した最適化部39に入力し(ステップ143)、これに対し最適化部39は修正された設定温度を算出し出力する(ステップ144)。
【0070】
この算出のためには、温度などのパラメータの値に対して成長する膜厚の物理的モデルをあらかじめ最適化部39に組み込んでおき、これにより成膜結果と現在の設定温度とから適切と考えられる新たな設定温度を導出する手法を採ることができる。これは、第1の設定温度の最適化と同様である。
【0071】
修正設定温度を得たならば、これを第2の膜形成に適用して再び別の試験ウエハを用いて装置で第1および第2の膜を連続的に成膜する(ステップ145)。このようにして第1、第2の膜が積層的に形成されたら装置から試験ウエハをアンロードする。
【0072】
アンロードされた試験ウエハは、上記と同様に、エリプソメータ等の膜厚測定器を用いて第1、第2の膜の合計厚が測定される(ステップ146)。
【0073】
この測定結果は、上記で述べたウエハ対ウエハの仕様(例えば、中心値4nmでそのばらつき0.5%以内)と比較される(ステップ147)。この仕様に収まれば第2の膜を形成するための第2の設定温度の最適化は終了する。ここで第2の膜形成に用いた設定温度が最適化された第2の設定温度である。
【0074】
この仕様に収まらない場合は、ステップ143に戻りその測定結果を最適化部39に入力しやり直す。このようにして、最終的に仕様内に収まる第2の膜を形成するための第2の設定温度が得られる。
【0075】
以上のように、膜厚仕様(熱処理仕様)が、合計膜厚(合計熱処理結果)である値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること、および下層である第1の膜(第1の熱処理結果)についてもある値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること、が課される場合において、これらを満足する第1の設定温度、および第2の設定温度を求める(最適化する)ことができる。この場合、結果的に第2の膜の膜厚(第2の熱処理結果)についても管理されていることになる。
【0076】
また、これらの設定温度を図1(a)に示す装置に適用すれば、このような仕様の膜を形成する半導体製造が可能になる。
【0077】
なお、連続的に3つ以上の膜を積層的に形成する場合であって、これらの積層膜においては個々の膜厚を測定できない場合も、同様にしてそれぞれの設定温度を求める(最適化する)ことができる。
【0078】
すなわち、3つの膜であれば、まず第1の膜の形成工程のみ抜き出し、第1の設定温度を最適化する。次に、最適化された第1の設定温度を適用して第1および第2の膜の形成工程のみを抜き出し、第2の設定温度を最適化する。最後に、最適化された第1および第2の設定温度を適用して第1、第2、および第3の膜の形成工程を実行し、第3の設定温度を最適化するという手順である。4つ以上の膜についても同様である。
【0079】
次に、以上で説明した第1の設定温度、および第2の設定温度の最適化で用いる図1(a)に示した装置での試験ウエハの制御された温度変化について図5、図6を参照して説明する。
【0080】
図5は、第1の膜を成膜する第1の設定温度の最適化操作を説明するためのウエハの温度を示す制御ダイヤグラムである。同図(a)は、被処理ウエハに第1、第2の膜を形成するための名目的な温度変化を示している。すなわち、まず、被処理ウエハを800℃に昇温して、ある程度の時間(例えば数分程度)で温度を安定化させ、次に、プロセス工程で第1の膜を成長させる。第1の膜を成長させたらアニールする。安定、プロセス、アニールの工程を通し制御温度は800℃で一定である。
【0081】
次に、温度を760℃に降下し、同様に、安定、プロセス、アニールの各工程を行う。この間、プロセス工程において第2の膜を成長させる。ここでも、安定、プロセス、アニールの工程を通じ制御温度は760℃で一定である。アニールを終えたら降温し、ウエハを装置からアンロードできる状態にする。
【0082】
このような名目的な温度制御ダイヤグラムを有する第1および第2の膜の形成工程における、第1の膜を成膜する第1の設定温度(ここでは名目800℃で一定)の最適化を、この温度制御ダイヤグラムで説明すると以下のようになる。
【0083】
すなわち、同図(b)に示すように、第1の膜を形成する工程のみを抜き出して、名目的な温度を設定温度として成膜する。この成膜結果に基づいて、「成膜結果を最適化部39(図1に図示)に入力し、設定温度を修正し、修正された設定温度で成膜する」の手順を膜厚の仕様に収まるまで繰り返し、最終的に得られた設定温度が図5(c)である。このように、例えば、ウエハボート13の上部が810℃、中上部が805℃、中部が802℃、中下部が800℃、下部が798℃と求められる。なお、図5(c)においては、上部、中上部、中部、中下部、下部の温度の違いについて説明のため図示を誇張してある。以下の図においても同様の表示を行う。
【0084】
このように、連続して形成されるふたつの膜のうち第1の工程のみを抜き出して成膜・測定し、第1の膜に課される仕様を満足できる第1の設定温度を決定することができる。
【0085】
図6は、第2の膜を成膜する第2の設定温度の最適化操作を説明するためのウエハの温度を示す制御ダイヤグラムである。この第2の膜を成膜する第2の設定温度(ここでは名目760℃で一定)の最適化を、この温度制御ダイヤグラムで説明すると以下のようになる。
【0086】
すなわち、同図(a)に示すように、最適化された第1の膜を形成する工程に引き続き、第2の膜を形成する工程を名目的な温度を設定温度として成膜する。この成膜結果に基づいて、「成膜結果を最適化部39(図1に図示)に入力し、設定温度を修正し、修正された設定温度で成膜する」の手順を膜厚の仕様に収まるまで繰り返し、最終的に得られた設定温度が図6(b)である。このように、例えば、第2の膜を形成する工程はウエハボート13の上部が755℃、中上部が758℃、中部が759℃、中下部が760℃、下部が762℃と求められる。
【0087】
以上のように、膜厚仕様(熱処理仕様)が、合計膜厚(合計熱処理結果)である値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること、および下層である第1の膜(第1の熱処理結果)についてもある値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること、が課される場合において、これらを満足する第1の設定温度、および第2の設定温度を求める(最適化する)ことができる。この場合、結果的に第2の膜の膜厚(第2の熱処理結果)についても管理されていることになる。
【0088】
次に、上記で述べた第1の設定温度、および第2の設定温度の最適化で用いる図1(a)に示した装置での試験ウエハの制御された温度変化であって、図5、図6に示したものとは異なるものについて図7、図8を参照して説明する。
【0089】
図7は、第1の膜を成膜する第1の動的な設定温度の最適化操作を説明するためのウエハの温度を示す制御ダイヤグラムである。同図(a)は、被処理ウエハ(被処理体)に第1、第2の膜を形成するための名目的な温度変化を示している。すなわち、まず、被処理ウエハを昇温して、ある程度の時間で温度を安定化させ、次に、プロセス工程で第1の膜を成長させる。第1の膜を成長させたらアニールする。
【0090】
ここで、プロセスの工程においては、温度を多少降下させながら膜を成長させている。すなわち、ここでの温度設定は一定ではなく時間的に変化する動的なものであり、この動的な設定温度を最適化することを意図する。温度を多少降下させながら膜を成長させる目的は、ウエハの中心部の温度を高くし、これより温度が低い外周部を作り出すためである。
【0091】
これによれば、装置内のウエハ同士の形成膜厚のばらつきを小さくすることに加えて、各ウエハ内での形成膜厚のばらつきをも小さくすることができる。設定温度を膜形成中に変化させることにより、ウエハ中を伝わる熱の速度を利用しウエハの外周部と中心部とで適切な温度勾配を生じさせられるからである。すなわち、ウエハの外周部と中心部とでは、成膜ガスの濃度など成膜条件が異なるのを適切な温度勾配により相殺しようとするものである。
【0092】
つまり、このような膜形成中における降温を行わない場合は、ひとつのウエハ内における形成膜厚は、例えば、図9(a)に示すようになる。図9は、ウエハ内の膜厚が膜形成中における降温により均一化するのを説明する図である。図9(a)に示すように、通常、ウエハの中心部に形成される膜厚は外周部より薄くなる。これは、成膜ガス濃度の違いが主たる原因であり、成膜ガスがウエハの外周部より中心部に流れその間に成膜に消費され、ウエハの外周部から中心部にいくに従って徐々に成膜ガスの濃度が希薄になるためである。したがって、中心部において多少(例えば1nmの数分の一程度)膜厚が薄くなる。(なお、以降において、図9(a)のような特性をカップ(cup)特性という。)
【0093】
そこで、ウエハの温度を図9(b)に示すようにその中心部が多少高く(例えば数℃高く)なるように制御する。このためには、図7(a)におけるプロセス1に示すように、膜形成中において多少降温する制御を行う(第1の膜形成)。熱は暖められたウエハの中心部から外周部に向かって伝導し、ウエハの中心部から外周部に向かって温度が下降する温度勾配が作り出される。この結果として、図9(c)に示すように成膜される結果、すなわち形成膜厚は、ウエハ内において均一性の高い膜厚を得ることができる。
【0094】
図7(a)の説明に戻り、次に、温度を第2の膜形成のため降下し、同様に、安定、プロセス、アニールの各工程を行う。ここでも、プロセス2の工程においては、温度を多少降下させながら膜を成長させている。すなわち、この動的な設定温度を最適化することを意図する。アニールを終えたら降温し、ウエハを装置からアンロードできる状態にする。
【0095】
このような名目的な温度制御ダイヤグラムを有する第1および第2の膜の形成工程における、第1の膜を成膜する第1の動的な設定温度の最適化を、この温度制御ダイヤグラムで説明すると以下のようになる。
【0096】
すなわち、図7(b)に示すように、第1の膜を形成する工程のみを抜き出して、名目的な温度を動的な設定温度として成膜する。この成膜結果に基づいて、「成膜結果を最適化部39(図1に図示)に入力し、動的な設定温度を修正し、修正された動的な設定温度で成膜する」の手順を膜厚の仕様に収まるまで繰り返し、最終的に得られた動的な設定温度が図7(c)である。このように、例えば、ウエハボート13の上部がダイヤグラム171、下部がダイヤグラム172と求められる。なお、ここでは、中上部、中部、中下部についての設定温度のダイヤグラムの表示を省略してあるが同様に決定することができる。
【0097】
このように、連続して形成されるふたつの膜のうち第1の工程のみを抜き出して成膜・測定し、第1の膜に課される仕様(この場合では、ウエハ同士の膜厚ばらつきの仕様と、ウエハ内における膜厚ばらつきの仕様)を満足できる第1の動的な設定温度を決定することができる。
【0098】
図8は、第2の膜を成膜する第2の動的な設定温度の最適化操作を説明するためのウエハの温度を示す制御ダイヤグラムである。この第2の膜を成膜する第2の動的な設定温度の最適化を、この温度制御ダイヤグラムで説明すると以下のようになる。
【0099】
すなわち、同図(a)に示すように、最適化された第1の膜を形成する工程に引き続き、第2の膜を形成する工程を名目的な温度を動的な設定温度として成膜する。この成膜結果に基づいて、「成膜結果を最適化部39(図1に図示)に入力し、動的な設定温度を修正し、修正された動的な設定温度で成膜する」の手順を膜厚の仕様に収まるまで繰り返し、最終的に得られた動的な設定温度が図8(b)である。このように、例えば、ウエハボート13の上部がダイヤグラム181、下部がダイヤグラム182と求められる。なお、ここでは、中上部、中部、中下部についての設定温度のダイヤグラムの表示を省略してあるが同様に決定することができる。
【0100】
以上のように、膜厚仕様(熱処理仕様)が、合計膜厚(合計熱処理結果)である値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること、および下層である第1の膜(第1の熱処理結果)についてもある値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること、が課され、かつ、ウエハ内における膜厚ばらつきがある値以内であることが課される場合において、これらを満足する第1の動的な設定温度、および第2の動的な設定温度を求める(最適化する)ことができる。この場合、結果的に第2の膜の膜厚(第2の熱処理結果)についても管理されていることになる。
【0101】
なお、このような動的な設定温度の最適化は、設定温度を動的にしない場合に形成される膜厚が、ウエハボート13(図1に図示)の上方部では図10(a)に示すようになり、中間部では図10(b)に示すようになり、下方部では図10(c)に示すようになる場合においても、これらの膜厚がより均一に形成されるように行うことができる。なお、図10は、ウエハボート内のウエハ上における膜厚の分布の一例を示す図である。
【0102】
ここで、このような膜厚の形成は、成膜条件の反応管内における違いが複合的である場合に生じる。例えば、図9(a)に示した通常生じるカップ特性の要因に加え、反応管の上方からもガスを導入する場合において、このガスが反応管内で徐々に分解されることにより膜形成に寄与するものになるときに生じる。
【0103】
すなわち、このときは、ウエハの外周部より中心部で膜厚が厚くなる(これを以降、キャップ(cap)特性という。)要因が付加されるが、それもウエハボートの下方に向かっては外周部と中心部とで膜厚の違いにあまり影響を与えなくなるものである。このような付加要因を図1に示す熱処理装置のもともとのカップ特性と重畳すると、ウエハボート上方では、キャップ特性が優り重畳してキャップ特性となる(図10(a))。ウエハボート中間部では、キャップ特性とカップ特性とが相殺してほぼ平坦な特性となる(図10(b))。ウエハボート下方部では、カップ特性が優り重畳してカップ特性となる(図10(c))。
【0104】
図10(a)〜(c)に示した膜厚の分布を見てわかるように、これらの膜厚を均一にするには、ウエハボート上方のウエハに対しては、膜の成長時において多少昇温するような動的な温度設定を行う。ウエハボート中間部のウエハに対しては、膜の成長時においてほぼ静的な温度設定を行う。また、ウエハボート下方のウエハに対しては、膜の成長時において多少降温するような動的な温度設定を行う。
【0105】
これらの温度設定においても、上述したように、膜厚仕様(熱処理仕様)が、合計膜厚(合計熱処理結果)である値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること、および下層である第1の膜(第1の熱処理結果)についてもある値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること、が課され、かつ、ウエハ内における膜厚ばらつきがある値以内であることが課される場合において、これらを満足する第1の動的な設定温度、および第2の動的な設定温度を求める(最適化する)ことができる。この場合、結果的に第2の膜の膜厚(第2の熱処理結果)についても管理されていることになる。
【0106】
次に、図1に示した実施形態における熱処理装置の設定温度の作成方法であって図2ないし図4により説明したものとは異なる方法について図11ないし図13を参照して説明する。図11ないし図13は、連続的に形成されるふたつの膜それぞれについて、複数のヒータに対応する反応管内の設定温度の最適化を行う手順を示す流れ図であって、図2ないし図4に示したものとは異なるものである。このふたつの膜は積層され連続的に形成されるが、積層された膜の厚さを個々に測定することができる(例えば、酸化層に窒化層を積層する場合がこれに当たる。)。
【0107】
このような積層膜について、膜厚仕様は、まず、第1の膜の膜厚である値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること(たとえば、中心値1.5nmでそのばらつき1%以内)が課されているものとする。さらに、上層である第2の膜についてもある値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること(例えば、中心値2.5nmでそのばらつき1%以内)が課されているものとする。
【0108】
このような仕様が課されるときには、図11に示すように、まず第1の膜を形成するための設定温度を最適化し(ステップ221)、次に上層の膜である第2の膜を形成するための設定温度を最適化する(ステップ222)。
【0109】
第1の膜を形成する設定温度の最適化のためには、図12に示すように、まず、図1(a)に示した熱処理装置内の複数のウエハ(試験ウエハ)に第1および第2の膜を連続して成膜する(ステップ231)。複数のウエハには、上記に述べたウエハボート13のそれぞれ上部、中上部、中部、中下部、下部のものが含まれる。成膜が終了したら装置から試験ウエハをアンロードする。なお、ここでの第1および第2の膜の成膜設定温度は、ごく標準的なもの(例えば制御すべき上記5つのウエハに対して同一の温度)を用いる。
【0110】
アンロードされた試験ウエハは、エリプソメータ等の膜厚測定器を用いて第1の膜の厚さが測定される(ステップ232)。この成膜結果を図1(b)に示した最適化部39に入力し(ステップ233)、これに対し最適化部39は修正された設定温度を算出し出力する(ステップ234)。
【0111】
この算出のためには、温度などのパラメータの値に対して成長する膜厚の物理的モデルをあらかじめ最適化部39に組み込んでおき、これを用いて成膜結果と現在の設定温度とから適切と考えられる新たな設定温度を導出する手法を採ることができる。これは、図3においての説明と同様である。
【0112】
修正設定温度を得たならば、これを適用して再び別の試験ウエハを用いて装置で第1の膜および第2の膜を成膜する(ステップ235)。成膜が終了したらその試験ウエハを装置からアンロードする。アンロードされた試験ウエハは、上記と同様に、エリプソメータ等の膜厚測定器を用いて第1の膜の厚さが測定される(ステップ236)。
【0113】
この測定結果は、上記で述べた第1の膜に関するウエハ対ウエハの仕様(例えば、中心値1.5nmでそのばらつき1%以内)と比較される(ステップ237)。この仕様に収まれば第1の膜を形成するための第1の設定温度の最適化は終了する。ここで用いた設定温度が最適化された第1の設定温度である。
【0114】
この仕様に収まらない場合は、ステップ233に戻りその測定結果を最適化部39に入力しやり直す。このようにして、最終的に仕様内に収まる第1の膜を形成するための第1の設定温度が得られる。
【0115】
このように、連続してふたつの膜を成膜した後、そのうち第1の膜を測定し、第1の膜に課される仕様を満足できる第1の設定温度を決定することができる。
【0116】
次に、上層の膜である第2の膜を形成するための設定温度を最適化する。このためには、図13に示すように、まず、熱処理装置内の複数のウエハ(試験ウエハ)に上記のように最適化された設定温度で第1の膜を成膜し、引き続き第2の膜を成膜する(ステップ241)。複数のウエハには、上記に述べたウエハボート13のそれぞれ上部、中上部、中部、中下部、下部のものが含まれる。第2の膜を成膜する設定温度は、ごく標準的なもの(例えば制御すべき上記5つのウエハに対して同一の温度)を用いる。このようにして第1、第2の膜が積層的に形成されたら装置から試験ウエハをアンロードする。
【0117】
アンロードされた試験ウエハは、エリプソメータ等の膜厚測定器を用いて第2の膜の厚さが測定される(ステップ242)。この成膜結果を図1(b)に示した最適化部39に入力し(ステップ243)、これに対し最適化部39は修正された設定温度を算出し出力する(ステップ244)。
【0118】
この算出のためには、温度などのパラメータの値に対して成長する膜厚の物理的モデルをあらかじめ最適化部39に組み込んでおき、これにより成膜結果と現在の設定温度とから適切と考えられる新たな設定温度を導出する手法を採ることができる。これは、第1の設定温度の最適化と同様である。
【0119】
修正設定温度を得たならば、これを第2の膜形成に適用して再び別の試験ウエハを用いて装置で第1、および第2の膜を連続的に成膜する(ステップ245)。このようにして第1、第2の膜が積層的に形成されたら装置から試験ウエハをアンロードする。
【0120】
アンロードされた試験ウエハは、上記と同様に、エリプソメータ等の膜厚測定器を用いて第2の膜の厚さが測定される(ステップ146)。
【0121】
この測定結果は、上記で述べたウエハ対ウエハの仕様(例えば、中心値2.5nmでそのばらつき1%以内)と比較される(ステップ247)。この仕様に収まれば第2の膜を形成するための第2の設定温度の最適化は終了する。ここで第2の膜形成に用いた設定温度が最適化された第2の設定温度である。
【0122】
この仕様に収まらない場合は、ステップ243に戻りその測定結果を最適化部39に入力しやり直す。このようにして、最終的に仕様内に収まる第2の膜を形成するための第2の設定温度が得られる。
【0123】
以上のように、膜厚仕様(熱処理仕様)が、第1の膜の膜厚(第1の熱処理結果)である値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること、および上層である第2の膜(第2の熱処理結果)についてもある値を中心としてウエハ対ウエハでのばらつきがある値以内であること、が課される場合において、これらを満足する第1の設定温度、および第2の設定温度を求める(最適化する)ことができる。
【0124】
この場合において、先に形成される第1の膜について設定温度の最適化がまずなされ、次に、後から形成される第2に膜について設定温度の最適化がなされているので、再び第1の膜について設定温度の最適化をする必要が生ずることがなく、効率的に複数のヒータに対応する反応管内の設定温度の最適化がなされる。
【0125】
なお、この場合においても、第1、第2の設定温度は、それぞれ対応する膜形成の間変化するものであるとすることができる。また、第1、第2の設定温度は、それぞれ対応する膜形成の間変化しかつ各ゾーンでその変化のし方が異なるものであるとすることもできる。
【0126】
ちなみに、これらの設定温度を図1(a)に示す熱処理装置に適用すれば、このような仕様の膜を形成する半導体製造が可能になる。すなわち、図14に示すように、図1(a)に示す熱処理装置において最適化された第1の設定温度で第1の膜を形成し(ステップ251)、引き続き最適化された第2の設定温度で第2の膜を形成する(ステップ252)。なお、図14は、図1(a)に示す熱処理装置で、連続的に膜を形成する場合を示す流れ図である。
【0127】
【実施例】
図5、図6を用いて説明したタイプの最適化を行った例を具体的な半導体製造プロセスに基づいて説明する。ここで説明する半導体製造プロセスは、ゲート酸化膜の形成である。
【0128】
ゲート酸化膜の形成は、一般的に、半導体基板上に熱酸化により酸化膜を形成するプロセスであり、形成された酸化膜(絶縁膜)に接してその上にはゲート電極層として多結晶シリコン膜が形成される。多結晶シリコンには、電極として導電性を増すため例えばB(ホウ素)が注入される。近年、半導体デバイスの高集積、微細化に伴いゲート酸化膜は、薄膜化される傾向にあり、何ら対処を行わないと、あとのプロセスにおける熱処理で、形成されたゲート酸化膜にゲート電極層内に注入されたBが侵入あるいは半導体基板まで突き抜けるという現象が生じる。このような現象が生じるとデバイスとして必要な特性が保てなくなる。
【0129】
このようなBの突き抜けを防止するには、形成された酸化膜を改質し酸窒化膜化する手法が有効であることが知られている。ここでは、このような改質を含めて連続的に熱処理を行う工程を例に挙げる。
【0130】
第1の熱処理は、水蒸気による熱酸化工程であり、第2の熱処理は、NO雰囲気下における熱酸化膜の改質(酸窒化膜化)である。したがって、最適化の対象は、熱酸化工程におけるウエハボートの各ゾーンにおける設定温度、および、改質工程におけるウエハボートの各ゾーンにおける設定温度である。なお、ここでは、ゾーンの数を4つとする。
【0131】
まず、比較例として、熱酸化膜形成工程と改質工程とを連続的に行なうようにして、形成膜厚の目標値を1.5nmとした場合を説明する。各工程のプロセス条件(ガス圧力、ガス流量、処理時間など)を温度を除き動かさないようにして、工程連続で形成された膜厚を測定し何度かやり直すことにより、ウエハボートの上部、中上部、中下部、下部の4ゾーンについて適切な設定温度を求める。
【0132】
これにより、その設定温度は、それぞれ、855℃、855℃、840℃、830℃と求められた。この設定温度により形成されたゲート酸化膜は、ウエハボート内で平均膜厚1.559nm、ウエハ同士の膜厚ばらつきとして±0.65%が得られた。これに対して、膜中の窒素濃度を測定したところ、0.91ないし1.26[atoms%]であった(0.91がウエハボート上部のウエハ、1.26がウエハボート下部のウエハ)。なお、この測定は、膜中のピーク濃度をSIMS(secondary ion-mass spectrography)を用いて行ったものである。
【0133】
このように、比較例では、熱酸化膜形成工程と改質工程とを連続的に行う工程において、ウエハボート内のウエハについて膜厚の均一性を得ることができるが、膜中の窒素濃度はばらつきの大きい(約±16%)ものとなり各ウエハについて均質な酸窒化膜の形成ができない。
【0134】
次に、図5、図6を用いて説明したタイプの最適化を適用した結果を述べる。まず、熱酸化工程のみを取り出し、その最適化を行う。熱酸化工程による形成膜厚の目標値を1.65nmとし、プロセス条件(ガス圧力、ガス流量、処理時間など)を温度を除き動かさないようにして、形成された膜厚を測定し、すでに述べたように最適化してウエハボートの上部、中上部、中下部、下部の4ゾーンについて適切な設定温度を求める。
【0135】
これにより、その設定温度は、それぞれ、805℃、801℃、799℃、796℃と求められた。この設定温度により形成された熱酸化膜(すなわち改質前の膜)は、ウエハボート内で平均膜厚1.667nm、ウエハ同士の膜厚ばらつきとして±0.47%が得られた。ちなみに、温度以外のプロセス条件は、使用ガス種およびその流量を、H2が0.4[slm]、O2が0.4[slm]、N2が30[slm]とし、酸化時間を40秒、圧力を大気圧とした。
【0136】
次に、この得られた設定温度を適用し、さらに連続して改質工程を、そのプロセス条件(ガス圧力、ガス流量、処理時間など)を温度を除き動かさないようにして、工程連続で行う。そして、形成された改質膜の膜厚を測定し、すでに述べたように最適化してウエハボートの上部、中上部、中下部、下部の4ゾーンについて改質工程についての適切な設定温度を求める。このとき、改質膜の膜厚目標値を1.8nmとした。この値は、1.65nm厚の酸化膜に対して十分な改質効果が得られると見込んで決めたものである(膜中に窒素を供給するNOの酸素により膜厚が増加しそれに応じて窒素も膜中に取り込まれる)。ちなみに、温度以外のプロセス条件は、使用ガス種およびその流量をNOを1[slm]とし、処理時間を3分、圧力を1[kPa]とした。
【0137】
この結果、改質工程の設定温度は、ウエハボートの上部、中上部、中下部、下部の4ゾーンについて、それぞれ、848℃、850℃、851℃、852℃と求められた。この設定温度により形成された改質膜は、ウエハボート内で平均膜厚1.762nm、ウエハ同士の膜厚ばらつきとして±0.64%が得られた。また、膜中の窒素濃度を測定したところ1.05ないし1.15[atoms%]であった(1.05がウエハボート上部のウエハ、1.15がウエハボート下部のウエハ)。なお、この測定は、膜中のピーク濃度をSIMSを用いて行ったものである。
【0138】
このように、この実施例では、熱酸化膜形成工程と改質工程とを連続的に行う工程において、ウエハボート内のウエハについて膜厚の均一性を得るとともに、膜中の窒素濃度のばらつきも比較例に比べ相当に小さく(約±4.5%)各ウエハについて均質な酸窒化膜の形成が達成された。
【0139】
なお、この例では、改質工程の結果の測定として、改質膜の膜厚を用いている。改質膜の膜厚は、第1の工程としての熱酸化膜形成と第2の工程としての改質工程との両方により決まるものであり、第2の工程の最適化のため第2の工程のみの結果測定をしていない。すなわち、第1および第2の工程の結果である改質膜の膜厚を測定して第2の工程を最適化することにより、結果的に第2の工程の管理を適切に行うことができるという本発明の特長が現れている。以上の実施例を比較例と対比して示したものが図15である。図15は、本発明の実施例としてゲート酸化膜形成工程の諸元を比較例と対比して示す表である。
【0140】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、まず、連続的になされる第1および第2の熱処理のうち第1のもののみを抜き出して処理を行い、第1の熱処理がされた被処理体の熱処理結果を測定することによりこの第1の熱処理結果について反応管内の設定温度の最適化を行い、次に、その最適化された設定温度を適用して、第1および第2の熱処理を連続して行い、その第1および第2の熱処理がされた被処理体の合計の熱処理結果を測定することにより、第2の熱処理について反応管内の設定温度の最適化を行うので、連続的になされる熱処理の結果それぞれについての反応管内の設定温度の最適化が可能になる。
【0141】
また、まず、連続的になされる第1および第2の熱処理を行い、第1および第2の熱処理がなされた被処理体の第1の熱処理結果を測定することによりこの第1の熱処理について反応管内の設定温度の最適化を行い、次に、その最適化された設定温度を適用して、第1および第2の熱処理を連続して行い、その第1および第2の熱処理がなされた被処理体の第2の熱処理結果を測定することにより、第2の熱処理について反応管内の設定温度の最適化を行うので、連続的になされる熱処理それぞれについての反応管内の設定温度の最適化が可能になる。この場合において、先になされる第1の熱処理について設定温度の最適化がまずなされ、次に、後からなされる第2に熱処理について設定温度の最適化がなされているので、再び第1の熱処理について設定温度の最適化をする必要が生ずることがなく、効率的に反応管内の設定温度の最適化がなされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のひとつの実施形態を説明するための構成図。
【図2】連続的に形成されるふたつの膜それぞれについて、複数のヒータに対応する反応管内の設定温度の最適化を行う手順を示す流れ図。
【図3】図2におけるステップ121を詳述する流れ図。
【図4】図2におけるステップ122を詳述する流れ図。
【図5】第1の膜を成膜する第1の設定温度の最適化操作を説明するためのウエハの温度を示す制御ダイヤグラム。
【図6】第2の膜を成膜する第2の設定温度の最適化操作を説明するためのウエハの温度を示す制御ダイヤグラム。
【図7】第1の膜を成膜する第1の動的な設定温度の最適化操作を説明するためのウエハの温度を示す制御ダイヤグラム。
【図8】第2の膜を成膜する第2の動的な設定温度の最適化操作を説明するためのウエハの温度を示す制御ダイヤグラム。
【図9】ウエハ内の膜厚が膜形成中における降温により均一化するのを示すための説明図。
【図10】ウエハボート内のウエハ上における膜厚の分布の一例を示す図。
【図11】連続的に形成されるふたつの膜それぞれについて、複数のヒータに対応する反応管内の設定温度の最適化を行う手順を示す流れ図であって、図2ないし図4に示したものとは異なる流れ図。
【図12】図11におけるステップ221を詳述する流れ図。
【図13】図11におけるステップ222を詳述する流れ図。
【図14】図1(a)に示す装置で連続的に膜を形成する場合を示す流れ図。
【図15】本発明の実施例としてのゲート酸化膜形成工程の諸元を比較例と対比して示す表。
【符号の説明】
11…反応管 12…内管 13…ウエハボート 14…ウエハ 15…保温筒 16…マニホールド 17…ベースプレート 18…蓋体 19…ボートエレベータ 20…ガス供給管 21…排気管 22、23、24、25、26…ヒータ 27、28、29、30、31…外部熱電対 32、33、34、35、36…内部熱電対 37…状態推定部 38…制御部 39…最適化部
Claims (14)
- 被処理体に連続的に第1、第2の熱処理を行う熱処理装置の設定温度の作成方法において、
前記被処理体に第1の熱処理を行うための第1の設定温度を、第1の試験被処理体に第1の校正前設定温度で第1の熱処理を行う工程と、前記第1の熱処理がされた第1の試験被処理体における前記第1の熱処理の結果を測定する工程と、前記測定された第1の熱処理結果より前記第1の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと、
前記第1の熱処理がなされた前記被処理体に第2の熱処理を行うための第2の設定温度を、前記求値された第1の設定温度で第1の熱処理がされた第2の試験被処理体に第2の校正前設定温度で第2の熱処理を行う工程と、前記第1および第2の熱処理がされた第2の試験被処理体における前記第1、第2合計の熱処理結果を測定する工程と、前記測定された合計の熱処理結果より前記第2の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと
を有することを特徴とする熱処理装置設定温度の作成方法。 - 請求項1記載の熱処理装置設定温度の作成方法において、さらに、前記第2の熱処理がなされた前記被処理体に第3の熱処理を行うための第3の設定温度を、前記求値された第1の設定温度で第1の熱処理がされかつ前記求値された第2の設定温度で第2の熱処理がされた第3の試験被処理体に第3の校正前設定温度で第3の熱処理を行う工程と、前記第1、第2、および第3の熱処理がされた第3の試験被処理体における前記第1、第2、第3の合計の熱処理結果を測定する工程と、前記測定された合計の熱処理結果より前記第3の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップを有することを特徴とする請求項1記載の熱処理装置設定温度の作成方法。
- 前記第1、第2の設定温度は、それぞれ対応する熱処理の間一定であることを特徴とする請求項1記載の熱処理装置設定温度の作成方法。
- 前記第1、第2の設定温度は、それぞれ対応する熱処理の間変化するものであることを特徴とする請求項1記載の熱処理装置設定温度の作成方法。
- 前記熱処理装置は、複数のヒータそれぞれに対応する複数のゾーンを有してこの複数のゾーンにて前記被処理体を熱処理し、前記第1、第2の設定温度は、前記複数のゾーンそれぞれについて存在し、かつそれぞれ対応する熱処理の間変化しかつ前記各ゾーンでその変化のし方が異なるものであることを特徴とする請求項1記載の熱処理装置設定温度の作成方法。
- 前記熱処理装置は、複数のヒータそれぞれに対応する複数のゾーンを有してこの複数のゾーンにて前記被処理体を熱処理し、前記第1の熱処理は、熱酸化によるゲート酸化膜の形成工程であり、前記第2の熱処理は、前記熱酸化により形成されたゲート酸化膜の酸窒化膜化工程であり、前記第1、第2の設定温度は、前記複数のゾーンそれぞれについて存在することを特徴とする請求項1記載の熱処理装置設定温度の作成方法。
- 被処理体に連続的に第1、第2の熱処理を行う熱処理装置の設定温度の作成方法において、
前記被処理体に第1の熱処理を行うための第1の設定温度を、第1の試験被処理体に第1の校正前設定温度で第1の熱処理を行う工程と、前記第1の熱処理がされた第1の試験被処理体に第2の熱処理を行う工程と、前記第1および第2の熱処理がされた第1の試験被処理体において前記第1の熱処理の結果を測定する工程と、前記測定された第1の熱処理結果より前記第1の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと、
前記第1の熱処理がなされた前記被処理体に第2の熱処理を行うための第2の設定温度を、前記求値された第1の設定温度で第1の熱処理がされた第2の試験被処理体に第2の校正前設定温度で第2の熱処理を行う工程と、前記第1および第2の熱処理がされた第2の試験被処理体における前記第2の熱処理の結果を測定する工程と、前記測定された第2の熱処理の結果より前記第2の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと
を有することを特徴とする熱処理装置設定温度の作成方法。 - 被処理体に連続的に第1、第2の熱処理を行う熱処理方法において、
前記被処理体に第1の熱処理を行うための第1の設定温度を、第1の試験被処理体に第1の校正前設定温度で第1の熱処理を行う工程と、前記第1の熱処理がされた第1の試験被処理体における前記第1の熱処理の結果を測定する工程と、前記測定された第1の熱処理結果より前記第1の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと、
前記第1の熱処理がなされた前記被処理体に第2の熱処理を行うための第2の設定温度を、前記求値された第1の設定温度で第1の熱処理がされた第2の試験被処理体に第2の校正前設定温度で第2の熱処理を行う工程と、前記第1および第2の熱処理がされた第2の試験被処理体における前記第1、第2合計の熱処理結果を測定する工程と、前記測定された合計の熱処理結果より前記第2の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと、
前記求値された第1の設定温度にて前記被処理体上に前記第1の熱処理を行うステップと、
前記第1の熱処理がなされた被処理体上に前記求値された第2の設定温度にて第2の熱処理を行うステップと
を有することを特徴とする熱処理方法。 - 請求項8記載の熱処理方法において、さらに、前記第2の熱処理がなされた前記被処理体に第3の熱処理を行うための第3の設定温度を、前記求値された第1の設定温度で第1の熱処理がされかつ前記求値された第2の設定温度で第2の熱処理がされた第3の試験被処理体に第3の校正前設定温度で第3の熱処理を行う工程と、前記第1、第2、および第3の熱処理がされた第3の試験被処理体における前記第1、第2、第3の合計の熱処理結果を測定する工程と、前記測定された合計の熱処理結果より前記第3の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと、
前記第1の熱処理がなされかつ前記第2の熱処理がなされた被処理体上に前記求値された第3の設定温度にて第3の熱処理を行うステップと
を有することを特徴とする請求項8記載の熱処理方法。 - 前記第1、第2の設定温度は、それぞれ対応する熱処理の間一定であることを特徴とする請求項8記載の熱処理方法。
- 前記第1、第2の設定温度は、それぞれ対応する熱処理の間変化するものであることを特徴とする請求項8記載の熱処理方法。
- 前記熱処理方法は、複数のヒータそれぞれに対応する複数のゾーンを有してこの複数のゾーンにて前記被処理体を熱処理する熱処理装置に適用され、前記第1、第2の設定温度は、前記複数のゾーンそれぞれについて存在し、かつそれぞれ対応する熱処理の間変化しかつ前記各ゾーンでその変化のし方が異なるものであることを特徴とする請求項8記載の熱処理方法。
- 前記熱処理方法は、複数のヒータそれぞれに対応する複数のゾーンを有してこの複数のゾーンにて前記被処理体を熱処理する熱処理装置に適用され、前記第1の熱処理は、熱酸化によるゲート酸化膜の形成工程であり、前記第2の熱処理は、前記熱酸化により形成されたゲート酸化膜の酸窒化膜化工程であり、前記第1、第2の設定温度は、前記複数のゾーンそれぞれについて存在することを特徴とする請求項8記載の熱処理方法。
- 被処理体に連続的に第1、第2の熱処理を行う熱処理方法において、
前記被処理体に第1の熱処理を行うための第1の設定温度を、第1の試験被処理体に第1の校正前設定温度で第1の熱処理を行う工程と、前記第1の熱処理がされた第1の試験被処理体に第2の熱処理を行う工程と、前記第1および第2の熱処理がされた第1の試験被処理体において前記第1の熱処理の結果を測定する工程と、前記測定された第1の熱処理結果より前記第1の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと、
前記第1の熱処理がなされた前記被処理体に第2の熱処理を行うための第2の設定温度を、前記求値された第1の設定温度で第1の熱処理がされた第2の試験被処理体に第2の校正前設定温度で第2の熱処理を行う工程と、前記第1および第2の熱処理がされた第2の試験被処理体における前記第2の熱処理の結果を測定する工程と、前記測定された第2の熱処理の結果より前記第2の校正前設定温度を校正する工程とから求値するステップと、
前記求値された第1の設定温度にて前記被処理体上に前記第1の熱処理を行うステップと、
前記第1の熱処理がなされた被処理体上に前記求値された第2の設定温度にて第2の熱処理を行うステップと
を有することを特徴とする熱処理方法。
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