JP4428175B2 - 気相エピタキシャル成長装置および半導体ウェーハの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体デバイスに供されるウェーハの表面にエピタキシャル膜を成長させるための気相成長装置およびその半導体ウェーハの製造方法に関する。
ウェーハ表面に高品質な膜質を有するエピタキシャル膜を成長させる気相エピタキシャル成長装置として、枚葉型気相成長装置が多く使用されている。
この枚葉型気相成長装置は、石英製の通路状のチャンバを有し、チャンバ内に設けられた黒鉛の母材に炭化珪素ＳｉＣをコートした円盤状のサセプタ上にウェーハを載せ、チャンバ外面に配置したヒーターにてウェーハを加熱しながらチャンバ内を通過する各種原料ガスと反応させ、ウェーハ表面にエピタキシャル膜を成長させる。気相成長反応の原料ガスとしては、モノシランガスや水素希釈したクロロシラン系ガスにジボラン（Ｐ型）又はホスフィンやアルシン（Ｎ型）のドーパント原料ガスを添加したものが使用され、ウェーハ表面において熱ＣＶＤ反応によるエピタキシャル膜が形成される。
こうした気相エピタキシャル成長工程において、結晶性の良いエピタキシャル膜を均一な膜厚で成長させることが重要であるが、そのためにはヒーターからウェーハに対する輻射伝熱や反応ガスの流れといった成長条件を管理する必要がある。
従来、ヒーターからの輻射伝熱および反応ガスの流れと膜厚分布との関係を事前にコンピュータシミュレーション法により求め、理想的な条件を成長装置に設定してエピタキシャル膜を成長させることも試みられていたが、ヒーターの経時劣化や反応ガスの流量変動によって実際のウェーハ温度は敏感に変化するので、シミュレーションどおりの均一な膜厚を確保することは困難であった。
本発明は、均一な膜厚のエピタキシャル膜を得ることができる気相エピタキシャル成長装置および半導体ウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点によれば、ウェーハが投入されるチャンバと、前記チャンバ内に反応ガスを導入するガス導入手段と、前記ガス導入手段により導入された反応ガスの流量を検出するガス流量検出手段と、前記チャンバ内に投入されたウェーハを加熱する加熱手段と、前記加熱手段による加熱エネルギーを調節する加熱調節手段と、前記チャンバ内に投入されたウェーハの温度を検出する温度検出手段と、前記ガス流量検出手段により検出されたガス流量と前記温度検出手段により検出されたウェーハ温度とをパラメータとして入力し、予め定められたシミュレーションモデルにしたがってエピタキシャル膜が最も均一となるときの加熱エネルギーの最適値を求め、これを前記加熱調節手段に出力する制御手段と、を備える気相エピタキシャル成長装置が提供される。
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点によれば、ウェーハが投入されるチャンバと、前記チャンバ内に反応ガスを導入するガス導入手段と、前記ガス導入手段により導入された反応ガスの流量を検出するガス流量検出手段と、前記チャンバ内に投入されたウェーハを加熱する加熱手段と、前記加熱手段による加熱エネルギーを調節する加熱調節手段と、前記チャンバ内に投入されたウェーハの温度を検出する温度検出手段と、前記ガス流量検出手段により検出されたガス流量と前記温度検出手段により検出されたウェーハ温度とをパラメータとして入力し、予め定められたシミュレーションモデルにしたがってエピタキシャル膜が最も均一となるときの加熱エネルギーの最適値を求め、これを前記加熱調節手段に出力する制御手段と、を備える気相エピタキシャル成長装置が提供される。
また、本発明の第２の観点によれば、チャンバ内に投入されたウェーハを加熱するとともに当該チャンバ内に反応ガスを導入し、前記ウェーハ表面に前記反応ガスの熱分解によるエピタキシャル膜を形成する半導体ウェーハの製造方法において、前記チャンバ内に導入された反応ガスの流量を検出するステップと、前記チャンバ内に投入されたウェーハの温度を検出するステップと、前記ステップで検出されたガス流量と前記ステップで検出されたウェーハ温度とをパラメータとして入力し、予め定められたシミュレーションモデルにしたがってエピタキシャル膜が最も均一となるときの加熱エネルギーの最適値を求めるステップと、前記ステップで求められた加熱エネルギーの最適値により前記ウェーハを加熱するステップと、を有する半導体ウェーハの製造方法が提供される。
本発明では、チャンバ内に投入されたウェーハを加熱するとともに当該チャンバ内に反応ガスを導入し、ウェーハ表面に反応ガスの熱分解によるエピタキシャル膜を形成するに際し、チャンバ内に導入された反応ガスの実際の流量を検出するとともにチャンバ内に投入されたウェーハの実際の温度を検出し、これら実際の反応ガス流量とウェーハ温度とを、モデル化されたシミュレーションプログラムにパラメータとして入力し、目的とするエピタキシャル膜が最も均一になるときの加熱エネルギーをシミュレーション計算する。そして、シミュレーション計算により求められた加熱エネルギーの最適値を気相成長工程にフィードバックし、この最適値によりウェーハを加熱する。
従来のコンピュータシミュレーション法では全ての条件をパラメータとして入力していたので、目的とする予測値（条件）を求めるのに長時間を要したが、本発明では、均一なエピタキシャル膜を成長させるための主要因となる反応ガス流量とウェーハ温度とを実際に測定してこれをシミュレーションプログラムに代入するので、短時間で目的とする加熱エネルギーを求めることができ、リアルタイムでフィードバック制御を実行することができる。
また、従来のコンピュータシミュレーション法ではヒーターの経時劣化や反応ガスの流量変動が予測できなかったので正確な予測値を得ることはできなかったが、本発明では、反応ガス流量とウェーハ温度とを実際に測定してこれをシミュレーションプログラムに代入するので、ヒーターの経時劣化があっても、また反応ガスの流量変動が生じてもこれに対応することができ、正確な予測値に基づいてエピタキシャル膜を成長させることができる。
上記目的を達成するために、本発明の第３の観点によれば、ウェーハが投入されるチャンバと、前記チャンバ内に反応ガスを導入するガス導入手段と、前記ガス導入手段による反応ガスの流量を調節するガス流量調節手段と、前記チャンバ内に投入されたウェーハを加熱する加熱手段と、前記加熱手段により供給される加熱エネルギーを検出する加熱エネルギー検出手段と、前記チャンバ内に投入されたウェーハの温度を検出する温度検出手段と、前記加熱エネルギー検出手段により検出された加熱エネルギーと前記温度検出手段により検出されたウェーハ温度とをパラメータとして入力し、予め定められたシミュレーションモデルにしたがってエピタキシャル膜が最も均一となるときの反応ガス流量の最適値を求め、これを前記ガス流量調節手段に出力する制御手段と、を備える気相エピタキシャル成長装置が提供される。
また、本発明の第４の観点によれば、チャンバ内に投入されたウェーハを加熱するとともに当該チャンバ内に反応ガスを導入し、前記ウェーハ表面に前記反応ガスの熱分解によるエピタキシャル膜を形成する半導体ウェーハの製造方法において、前記チャンバ内に投入されたウェーハに供給される加熱エネルギーを検出するステップと、前記チャンバ内に投入されたウェーハの温度を検出するステップと、前記ステップで検出された加熱エネルギーと前記ステップで検出されたウェーハ温度とをパラメータとして入力し、予め定められたシミュレーションモデルにしたがってエピタキシャル膜が最も均一となるときの反応ガス流量の最適値を求めるステップと、前記ステップで求められた反応ガス流量の最適値により前記チャンバ内に反応ガスを導入するステップと、を有する半導体ウェーハの製造方法が提供される。
本発明では、チャンバ内に投入されたウェーハを加熱するとともに当該チャンバ内に反応ガスを導入し、ウェーハ表面に反応ガスの熱分解によるエピタキシャル膜を形成するに際し、チャンバ内に投入されたウェーハに供給された実際の過熱エネルギーを検出するとともにウェーハの実際の温度を検出し、これら実際の加熱エネルギーとウェーハ温度とを、モデル化されたシミュレーションプログラムにパラメータとして入力し、目的とするエピタキシャル膜が最も均一になるときの反応ガス流量をシミュレーション計算する。そして、シミュレーション計算により求められた反応ガス流量の最適値を気相成長工程にフィードバックし、この最適値によりチャンバ内に反応ガスを導入する。
従来のコンピュータシミュレーション法では全ての条件をパラメータとして入力していたので、目的とする予測値（条件）を求めるのに長時間を要したが、本発明では、均一なエピタキシャル膜を成長させるための主要因となるウェーハ温度を実際に測定してこれをシミュレーションプログラムに代入するので、短時間で目的とする反応ガス流量を求めることができ、リアルタイムでフィードバック制御を実行することができる。
また、従来のコンピュータシミュレーション法ではヒーターの経時劣化や反応ガスの流量変動が予測できなかったので正確な予測値を得ることはできなかったが、本発明では、ウェーハ温度を実際に測定してこれをシミュレーションプログラムに代入するので、ヒーターの経時劣化があってもこれに対応することができ、正確な予測値に基づいてエピタキシャル膜を成長させることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
図１は本発明に係る気相エピタキシャル成長装置の第１実施形態を示すブロック図、図２は図１の制御装置における演算内容を説明するための図、図３は図１の制御装置における制御手順を示すフローチャートである。
＜第１実施形態＞
図１は本発明に係る気相エピタキシャル成長装置の第１実施形態を示すブロック図、図２は図１の制御装置における演算内容を説明するための図、図３は図１の制御装置における制御手順を示すフローチャートである。
本実施形態は枚葉式気相エピタキシャル成長装置１（以下、単に気相成長装置１ともいう。）であり、同図では詳細な構造は省略するが、ドーム取付体に上側ドームと下側ドーム４を取り付けてなるチャンバ１１を有する。このチャンバ１１を構成する上側ドームおよび下側ドームは石英等の透明な材料からなり、チャンバ１１の上方および下方に複数配置された加熱源であるハロゲンランプからなるヒーターによりチャンバ１１内に投入されたウェーハＷが加熱される。
ヒーターは、チャンバ１１の上部外側に配置された上部外側ヒーター１３１と、同じく上部内側に配置された上部内側ヒーター１３２と、チャンバ１１の下部外側に配置された下部外側ヒーター１３３と、同じく下部内側に配置された下部内側ヒーター１３４とからなり、これらを総称してヒーター１３という。
これらそれぞれのヒーター１３に供給される電力は、加熱調節装置１６により供給され、それぞれのヒーター１３１〜１３４が互いに独立して制御される。そして、制御装置１７からの指令に応じて、加熱調節装置１６により各ヒーター１３１〜１３４の加熱エネルギーが調節される。
チャンバ１１の側面にはガス導入口１１１が設けられ、これに対向するチャンバ１１の側面にはガス排出口１１２が設けられている。このガス導入口１１１からは、ガス導入装置１２を介して、ＳｉＨＣｌ3等のＳｉソースを水素ガスで希釈し、それにドーパントを微量混合してなる反応ガスがチャンバ１１内に導入され、導入された反応ガスはウェーハＷの表面を通過してエピタキシャル膜を成長させた後、ガス排出口１１２より気相成長装置１外へ排出される。この反応ガスの流れを同図に二重線の矢印にて示す。
なお、ガス導入口１１１およびガス排出口１１２のそれぞれを上下２つのガス導入口およびガス排出口に構成し、上側のガス導入口および上側のガス排出口を用いて上述した反応ガスを導入および排出する一方で、下側のガス導入口および下側のガス排出口を用いて、水素ガスなどのキャリアガスをウェーハＷの下側に向かって導入および排出することもできる。これによりウェーハＷの裏面から放出されたドーパントをより効果的に気相成長装置１外へ排出することができる。また、ガス導入口１１１を上下に分割して水素ガスなどのキャリアガスをチャンバ１１内に導入する場合に、一つのガス排出口１１２から、反応ガスと裏面ドーパント排出用キャリアガスを排出してもよい。ただし、本発明においてはガス導入口１１１およびガス排出口１１２の具体的構造は問題ではなく、したがってガス導入口１１１及びガス排出口１１２の構造は必要に応じて改変することができる。
図１では図示を省略するが、チャンバ１１内に投入されたウェーハＷはサセプタと呼ばれる支持プレートに載置される。このサセプタは、ウェーハＷの中心点を中心にした回転軸の駆動により所定の速度で回転する（矢印参照）。サセプタの材質は特に限定されないが、たとえば炭素基材の表面にＳｉＣ被膜をコーティングしたものが好ましく採用される。なお、サセプタへウェーハＷを搬入したり、サセプタからウェーハＷを搬出したりする方式としては特に限定されず、ベルヌイチャックを用いて搬送治具の昇降によりウェーハを移載するタイプや、ウェーハ下面をピンで支持して当該ピンの昇降により移載するタイプの何れも適用することができる。
ガス導入装置１２は、反応ガスやキャリアガスを圧送するポンプと、ガスを案内するガス配管と、ガス流量を調節する流量調節バルブとを有し、成長条件に応じたガス流量値が流量調節バルブに設定される。
特に、本実施形態の気相成長装置１では、反応ガスが導入されるガス導入口１１１にエアーフローメーターなどから構成されるガス流量センサー１５が設けられ、ウェーハＷのエピタキシャル膜の成長に寄与する反応ガスの流量を検出し、これを制御装置１７へ送出する。なお、本発明に係るガス流量検出手段は本例のガス流量センサー１５にのみ限定されるものではなく、上述した流量調節バルブの開度を検出するものであっても良い。
また、本実施形態の気相成長装置１では、ウェーハＷ表面の中央（中心付近）の温度を検出する、放射温度計から構成される中心温度センサー１４１と、ウェーハＷの周囲の温度を検出する、同じく放射温度計から構成される外側温度センサー１４２が設けられている。上述したように、ウェーハＷはサセプタの回転により一定速度で回転するので、外側温度センサー１４２はウェーハＷの周囲の温度を満遍なく取得するために、一定時間間隔で計測する。そして、中心温度センサー１４１および外側温度センサー１４２により検出された実際のウェーハ表面温度は制御装置１７に送出される。
制御装置１７は、上述したように加熱調節装置１６に指令を送出して各ヒーター１３１〜１３４に供給される電力を制御するが、上述したガス流量センサー１５から一定時間間隔で反応ガスの実際の流量Ｑを取得する。また、中心温度センサー１４１から一定時間間隔でウェーハＷ表面中央の実際の温度Ｔ１を取得するとともに、外側温度センサー１４２から一定時間間隔でウェーハＷ表面周囲の実際の温度Ｔ２を取得する。
そして、取得されたウェーハの表面温度Ｔ１，Ｔ２から、図２に示すように実際の温度分布を計算するとともに、取得された反応ガス流量Ｑから膜厚分布を計算する。ここで、得られた膜厚分布が目標とする膜厚均一性を満たす範囲内にない場合には、各ヒーター１３１〜１３４に供給される電力およびこれらの分配比（各ヒーター間におけるバランス）をシミュレーションモデルによって計算し、その中で最も膜厚が均一となるときの各ヒーター１３１〜１３４の電力の最適値を求める。そして、この求められた最適電力値を加熱調節装置１６に送出し、加熱調節装置１６から各ヒーター１３１〜１３４へ求められた最適の電力が供給される。
次に、本例の気相成長装置の作用を説明する。
エピタキシャル膜を成長させるべきウェーハＷをチャンバ１１のサセプタにセットしたのち、図３に示すように、加熱調節装置１６から各ヒーター１３１〜１３４のそれぞれに初期値の電力を供給する（ステップＳ３１）。これによりチャンバ１１内に投入されたウェーハが所定の温度、たとえば１１００℃に加熱される。ウェーハＷが所定温度に到達したら、ガス導入装置１２によりガス導入口１１１から反応ガスをチャンバ１１内へ導入する（ステップＳ３１）。これによりウェーハＷ表面にエピタキシャル膜が成長し始める。
ステップＳ３１にて加熱制御および反応ガス導入制御を開始したら、温度センサー１４１，１４２から一定時間間隔でウェーハ表面の中央温度Ｔ１と周囲温度Ｔ２を制御装置１７に取り込む（ステップＳ３２）。また、ガス流量センサー１５から一定時間間隔で、ガス導入装置１２からチャンバ１１へ送られる反応ガスの流量Ｑを制御装置１７に取り込む（ステップＳ３２）。
ステップＳ３２にてウェーハの実際の温度Ｔ１，Ｔ２と実際の反応ガス流量Ｑを取り込んだら、これをパラメータとして図２に示すシミュレーションモデルによる流れの計算を実行する（ステップＳ３３）。すなわち、同図中央に示すように実際の温度分布を計算する（ステップＳ３４）とともに、同図下に示すように取得された反応ガス流量Ｑから膜厚分布を計算する（ステップＳ３５）。
次に、ステップＳ３６において、得られた膜厚分布が目標とする膜厚均一性を満たす範囲内にあるかどうかを判断し、満足する範囲にない場合には、ステップＳ３３に戻り、各ヒーター１３１〜１３４に供給される電力およびこれらの分配比（各ヒーター間におけるバランス）をシミュレーションモデルによって再計算する。ステップＳ３６において、得られた膜厚分布が最も均一になったら、そのときの各ヒーター１３１〜１３４に供給される電力を最適電力値とし（ステップＳ３７）、これを加熱調節装置１６へ送出する（ステップＳ３８）。
ここで再びステップＳ３１に戻り、先のステップＳ３８にて出力された最適電力値を各ヒーター１３１〜１３４へ出力し、その電力でウェーハＷを加熱する。以上の処理を、エピタキシャル膜の成長が終了するまで行う。
本例では、均一なエピタキシャル膜を成長させるための主要因となる反応ガス流量Ｑとウェーハ温度Ｔ１，Ｔ２とを実際に測定し、これを制御装置１７のシミュレーションプログラムに代入するので、短時間で目的とする最適電力値（加熱エネルギー）を求めることができ、リアルタイムでフィードバック制御を実行することができる。
また、従来のコンピュータシミュレーション法ではヒーターの経時劣化や反応ガスの流量変動が予測できなかったので正確な予測値を得ることはできなかったが、本例では、反応ガス流量Ｑとウェーハ温度Ｔ１，Ｔ２とを実際に測定し、これをシミュレーションプログラムに代入するので、ヒーター１３１〜１３４の経時劣化があっても、また反応ガスの流量変動が生じてもこれに対応することができ、正確な予測値に基づいてエピタキシャル膜を成長させることができる。
＜第２実施形態＞
図４は本発明に係る気相エピタキシャル成長装置の第２実施形態を示すブロック図、図５は図４のチャンバを示す平面図、図６は図４の制御装置における制御手順を示すフローチャートである。
図４は本発明に係る気相エピタキシャル成長装置の第２実施形態を示すブロック図、図５は図４のチャンバを示す平面図、図６は図４の制御装置における制御手順を示すフローチャートである。
本実施形態も第１実施形態と同じ枚葉式気相エピタキシャル成長装置１（以下、単に気相成長装置１ともいう。）であり、同図では詳細な構造は省略するが、ドーム取付体に上側ドームと下側ドーム４を取り付けてなるチャンバ１１を有する。このチャンバ１１を構成する上側ドームおよび下側ドームは石英等の透明な材料からなり、チャンバ１１の上方および下方に複数配置された加熱源であるハロゲンランプからなるヒーターによりチャンバ１１内に投入されたウェーハＷが加熱される。
ヒーターは、チャンバ１１の上部外側に配置された上部外側ヒーター１３１と、同じく上部内側に配置された上部内側ヒーター１３２と、チャンバ１１の下部外側に配置された下部外側ヒーター１３３と、同じく下部内側に配置された下部内側ヒーター１３４とからなり、これらを総称してヒーター１３という。それぞれのヒーター１３１〜１３４は図示しない加熱調節装置によってウェーハＷに対する加熱能力（ヒーターへの供給電力）が調節可能とされている。
チャンバ１１の側面にはガス導入口１１１が設けられ、これに対向するチャンバ１１の側面にはガス排出口１１２が設けられている。このガス導入口１１１からは、ガス導入装置１２を介して、ＳｉＨＣｌ3等のＳｉソースを水素ガスで希釈し、それにドーパントを微量混合してなる反応ガスがチャンバ１１内に導入され、導入された反応ガスはウェーハＷの表面を通過してエピタキシャル膜を成長させた後、ガス排出口１１２より気相成長装置１外へ排出される。この反応ガスの流れを同図に二重線の矢印にて示す。
特に本実施形態では、ガス導入口１１１が、ウェーハＷの中央に向かって反応ガスを導入する中央ガス導入口１１１ａと、ウェーハＷの外側に向かって反応ガスを供給する外側ガス導入口１１１ｂとに隔壁１１１ｃにより分割されている。そして、中央ガス導入口１１１ａに導かれる反応ガスの流量は流量調節バルブ１２２にて調節されるのに対し、外側ガス導入口１１１ｂに導かれる反応ガスの流量は流量調節バルブ１２１にて調節される。この流量調節バルブ１２１，１２２は、ガス流量調節装置１８からの指令によりバルブ開度が調節される。
ガス導入装置１２は、反応ガスやキャリアガスを圧送するポンプと、ガスを案内するガス配管と、ガス流量を調節する流量調節バルブとを有し、図５にガス配管と流量調節バルブ１２１，１２２を示す。
なお、ガス導入口１１１およびガス排出口１１２のそれぞれを上下２つのガス導入口およびガス排出口に構成し、上側のガス導入口および上側のガス排出口を用いて上述した反応ガスを導入および排出する一方で、下側のガス導入口および下側のガス排出口を用いて、水素ガスなどのキャリアガスをウェーハＷの下側に向かって導入および排出することもできる。これによりウェーハＷの裏面から放出されたドーパントをより効果的に気相成長装置１外へ排出することができる。また、ガス導入口１１１を上下に分割して水素ガスなどのキャリアガスをチャンバ１１内に導入する場合に、一つのガス排出口１１２から、反応ガスと裏面ドーパント排出用キャリアガスを排出してもよい。ただし、本発明においてはガス導入口１１１およびガス排出口１１２の具体的構造は問題ではなく、したがってガス導入口１１１及びガス排出口１１２の構造は必要に応じて改変することができる。ちなみに、ガス導入口１１１を上下に分割した場合、裏面ドーパント排出用キャリアガスはエピタキシャル膜の成長に無関係であることから、反応ガスが導入されるガス導入口のように中央ガス導入口１１１ａと外側ガス導入口１１１ｂに分割する必要はない。
図１では図示を省略するが、チャンバ１１内に投入されたウェーハＷはサセプタと呼ばれる支持プレートに載置される。このサセプタは、ウェーハＷの中心点を中心にした回転軸の駆動により所定の速度で回転する（矢印参照）。サセプタの材質は特に限定されないが、たとえば炭素基材の表面にＳｉＣ被膜をコーティングしたものが好ましく採用される。なお、サセプタへウェーハＷを搬入したり、サセプタからウェーハＷを搬出したりする方式としては特に限定されず、ベルヌイチャックを用いて搬送治具の昇降によりウェーハを移載するタイプや、ウェーハ下面をピンで支持して当該ピンの昇降により移載するタイプの何れも適用することができる。
特に本実施形態の気相成長装置１では、ウェーハＷ表面の中央（中心付近）の温度を検出する、放射温度計から構成される中心温度センサー１４１と、ウェーハＷの周囲の温度を検出する、同じく放射温度計から構成される外側温度センサー１４２が設けられている。上述したように、ウェーハＷはサセプタの回転により一定速度で回転するので、外側温度センサー１４２はウェーハＷの周囲の温度を満遍なく取得するために、一定時間間隔で計測する。そして、中心温度センサー１４１および外側温度センサー１４２により検出された実際のウェーハ表面温度は制御装置１７に送出される。
制御装置１７は、ガス流量調節装置１８に指令を送出して２つの流量調節バルブ１２１，１２２の開度を制御するが、上述した各ヒーター１３１〜１３４の制御装置（不図示）から一定時間間隔で電力値Ｐ１〜Ｐ４を取得する。また、中心温度センサー１４１から一定時間間隔でウェーハＷ表面中央の実際の温度Ｔ１を取得するとともに、外側温度センサー１４２から一定時間間隔でウェーハＷ表面周囲の実際の温度Ｔ２を取得する。
そして、取得されたウェーハの表面温度Ｔ１，Ｔ２および各ヒーター１３１〜１３４の電力値から、図２に示すように実際の温度分布を計算するとともに、膜厚分布を計算する。ここで、得られた膜厚分布が目標とする膜厚均一性を満たす範囲内にない場合には、流量調節バルブ１２１と１２２それぞれの開度およびこれらの開度比（流量調節バルブ間のバランス）をシミュレーションモデルによって計算し、その中で最も膜厚が均一となるときの、流量調節バルブ１２１，１２２の開度の最適値を求める。そして、この求められた最適開度をガス流量調節装置１８へ送出し、ガス流量調節装置１８から２つの流量調節バルブ１２１，１２２へ求められた最適開度の指令が送出される。
次に、本例の気相成長装置の作用を説明する。
エピタキシャル膜を成長させるべきウェーハＷをチャンバ１１のサセプタにセットしたのち、図６に示すように、加熱調節装置１６から各ヒーター１３１〜１３４のそれぞれに初期値の電力を供給する（ステップＳ６１）。これによりチャンバ１１内に投入されたウェーハが所定の温度、たとえば１１００℃に加熱される。ウェーハＷが所定温度に到達したら、流量調節バルブ１２１，１２２をそれぞれ初期値の開度で開き、ガス導入装置１２によりガス導入口１１１から反応ガスをチャンバ１１内へ導入する（ステップＳ３１）。これによりウェーハＷ表面にエピタキシャル膜が成長し始める。
ステップＳ６１にて加熱制御および反応ガス導入制御を開始したら、温度センサー１４１，１４２から一定時間間隔でウェーハ表面の中央温度Ｔ１と周囲温度Ｔ２を制御装置１７に取り込む（ステップＳ６２）。また、各ヒーター１３１〜１３４の制御装置から一定時間間隔で、各ヒーター１３１〜１３４に供給される電力値Ｐ（加熱エネルギー）を制御装置１７に取り込む（ステップＳ６２）。
ステップＳ６２にてウェーハの実際の温度Ｔ１，Ｔ２と実際のヒーターの電力値Ｐを取り込んだら、これをパラメータとして図２に示すシミュレーションモデルによる流れの計算を実行する（ステップＳ６３）。すなわち、同図中央に示すように実際の温度分布を計算する（ステップＳ６４）とともに、同図下に示すように膜厚分布を計算する（ステップＳ６５）。
次に、ステップＳ６６において、得られた膜厚分布が目標とする膜厚均一性を満たす範囲内にあるかどうかを判断し、満足する範囲にない場合には、ステップＳ６３に戻り、各流量調節バルブ１２１，１２２の開度およびこれらの開度比をシミュレーションモデルによって再計算する。ステップＳ６６において、得られた膜厚分布が最も均一になったら、そのときの流量調節バルブ１２１，１２２を最適開度とし（ステップＳ６７）、これをガス流量調節装置１８へ送出する（ステップＳ６８）。
ここで再びステップＳ６１に戻り、先のステップＳ６８にて出力された最適開度を流量調節バルブ１２１，１２２へ出力し、その開度でウェーハＷに反応ガスを供給するする。以上の処理を、エピタキシャル膜の成長が終了するまで行う。
本例では、均一なエピタキシャル膜を成長させるための主要因となるヒーターによる加熱エネルギーＰとウェーハ温度Ｔ１，Ｔ２とを実際に測定し、これを制御装置１７のシミュレーションプログラムに代入するので、短時間で目的とする最適開度（反応ガス流量）を求めることができ、リアルタイムでフィードバック制御を実行することができる。
また、従来のコンピュータシミュレーション法ではヒーターの経時劣化や反応ガスの流量変動が予測できなかったので正確な予測値を得ることはできなかったが、本例では、ヒーター１３１〜１３４の電力値Ｐとウェーハ温度Ｔ１，Ｔ２とを実際に測定し、これをシミュレーションプログラムに代入するので、ヒーター１３１〜１３４の経時劣化があってもこれに対応することができ、正確な予測値に基づいてエピタキシャル膜を成長させることができる。
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
たとえば、上述した第２実施形態において、反応ガスのガス導入口１１１を２つの隔壁１１１ｃにより中央ガス導入口１１１ａと外側ガス導入口１１１ｂとに分割することで、チャンバ１１内に導入される反応ガスを、ウェーハＷの中央と外側とに分流させたが、固定隔壁１１１ｃに代えてここに可動ルーバーを設け、可動ルーバーの角度を変えることにより反応ガスをウェーハＷの中央と外側とに分流させることもできる。この場合、ガス流量調節装置１８からの指令信号を可動ルーバーの駆動部に送出する。
１…気相エピタキシャル成長装置
１１…チャンバ
１１１…ガス導入口
１１２…ガス排出口
１２…ガス導入装置（ガス導入手段）
１３…ヒーター(加熱手段)
１３１…上部外側ヒーター
１３２…上部内側ヒーター
１３３…下部外側ヒーター
１３４…下部内側ヒーター
１４…温度センサー(温度検出手段)
１４１…中心温度センサー
１４２…外側温度センサー
１５…流量センサー(ガス流量検出手段)
１６…加熱調節装置(加熱調節手段)
１７…制御装置(制御手段)
１８…ガス流量調節装置(ガス流量調節手段)
Ｗ…半導体ウェーハ
１１…チャンバ
１１１…ガス導入口
１１２…ガス排出口
１２…ガス導入装置（ガス導入手段）
１３…ヒーター(加熱手段)
１３１…上部外側ヒーター
１３２…上部内側ヒーター
１３３…下部外側ヒーター
１３４…下部内側ヒーター
１４…温度センサー(温度検出手段)
１４１…中心温度センサー
１４２…外側温度センサー
１５…流量センサー(ガス流量検出手段)
１６…加熱調節装置(加熱調節手段)
１７…制御装置(制御手段)
１８…ガス流量調節装置(ガス流量調節手段)
Ｗ…半導体ウェーハ
Claims (10)
- ウェーハが投入されるチャンバと、
前記チャンバ内に反応ガスを導入するガス導入手段と、
前記ガス導入手段により導入された反応ガスの流量を検出するガス流量検出手段と、
前記チャンバ内に投入されたウェーハを加熱する複数の加熱手段と、
前記複数の加熱手段に供給される電力値及びこれらの分配比を調節する加熱調節手段と、
前記チャンバ内に投入されたウェーハの温度を検出する温度検出手段と、
前記加熱調節手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
ａ）前記ガス流量検出手段により検出されたガス流量と前記温度検出手段により検出されたウェーハ温度とをパラメータとして入力し、予め定められたシミュレーションモデルによる流れの計算を実行してエピタキシャル膜の膜厚分布を計算し、
ｂ）当該計算された膜厚分布が目標とする膜厚均一性を満たす範囲内にない場合には、予め定められたシミュレーションモデルにより前記複数の加熱手段に供給される前記電力値及びこれらの分配比の最適値を、前記膜厚分布が前記目標とする膜厚均一性を満たす範囲になるまで再計算し、
ｃ）当該目標とする膜厚均一性を満たす電力値及びこれらの分配比の最適値を前記加熱調節手段に出力し、
前記ａ）〜ｃ）の処理をエピタキシャル膜の成長が終了するまで行う気相エピタキシャル成長装置。 - ウェーハが投入されるチャンバと、
流量調節バルブを含み、前記チャンバ内に反応ガスを導入する複数のガス導入手段と、
前記複数のガス導入手段の前記流量調節バルブの開度及びこれらの開度比を調節するガス流量調節手段と、
前記チャンバ内に投入されたウェーハを加熱する加熱手段と、
前記加熱手段により供給される加熱エネルギーを検出する加熱エネルギー検出手段と、
前記チャンバ内に投入されたウェーハの温度を検出する温度検出手段と、
前記ガス流量調節手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
ａ）前記加熱エネルギー検出手段により検出された加熱エネルギーと前記温度検出手段により検出されたウェーハ温度とをパラメータとして入力し、予め定められたシミュレーションモデルによる流れの計算を実行してエピタキシャル膜の膜厚分布を計算し、
ｂ）当該計算された膜厚分布が目標とする膜厚均一性を満たす範囲内にない場合には、予め定められたシミュレーションモデルにより前記複数の流量調節バルブの前記開度及びこれらの開度比の最適値を、前記膜厚分布が前記目標とする膜厚均一性を満たす範囲になるまで再計算し、
ｃ）当該目標とする膜厚均一性を満たす開度及びこれらの開度比の最適値を前記ガス流量調節手段に出力し、
前記ａ）〜ｃ）の処理をエピタキシャル膜の成長が終了するまで行う
気相エピタキシャル成長装置。 - 前記加熱手段は、前記チャンバの上部の内側に設けられた上部内側加熱手段と、上部の外側に設けられた上部外側加熱手段と、前記チャンバの下部の内側に設けられた下部内側加熱手段と、下部の外側に設けられた下部外側加熱手段とを有する請求項１記載の気相エピタキシャル成長装置。
- 前記ガス導入手段は、前記チャンバ内に投入されたウェーハの中央に向かって反応ガスを導入する中央ガス導入手段と、前記チャンバ内に投入されたウェーハの外側に向かって反応ガスを導入する外側ガス導入手段とを有する請求項２記載の気相エピタキシャル成長装置。
- 前記温度検出手段は、前記チャンバ内に投入されたウェーハの中央の温度を検出する中央温度検出手段と、前記ウェーハの周囲の温度を検出する周囲温度検出手段とを有する請求項１〜４の何れかに記載の気相エピタキシャル成長装置。
- チャンバ内に投入されたウェーハを複数の加熱手段に電力を供給して加熱するとともに当該チャンバ内に反応ガスを導入し、前記ウェーハ表面に前記反応ガスの熱分解によるエピタキシャル膜を形成する半導体ウェーハの製造方法において、
前記チャンバ内に導入された反応ガスの流量を検出するステップと、
前記チャンバ内に投入されたウェーハの温度を検出するステップと、
前記ステップで検出されたガス流量と前記ステップで検出されたウェーハ温度とをパラメータとして入力し、予め定められたシミュレーションモデルによる流れの計算を実行してエピタキシャル膜の膜厚分布を計算するステップＡと、
当該計算された膜厚分布が目標とする膜厚均一性を満たす範囲内にない場合には、予め定められたシミュレーションモデルにより前記複数の加熱手段に供給される前記電力の電力値及びこれらの分配比の最適値を、前記膜厚分布が前記目標とする膜厚均一性を満たす範囲になるまで再計算するステップＢと、
当該目標とする膜厚均一性を満たす電力値及びこれらの分配比の最適値を出力して前記複数の加熱手段を制御するステップＣと、
前記Ａ〜Ｃのステップをエピタキシャル膜の成長が終了するまで行う
半導体ウェーハの製造方法。 - チャンバ内に投入されたウェーハを加熱するとともに当該チャンバ内に流量調節バルブを含む複数のガス導入手段により反応ガスを導入し、前記ウェーハ表面に前記反応ガスの熱分解によるエピタキシャル膜を形成する半導体ウェーハの製造方法において、
前記チャンバ内に投入されたウェーハに供給される加熱エネルギーを検出するステップと、
前記チャンバ内に投入されたウェーハの温度を検出するステップと、
前記ステップで検出された加熱エネルギーと前記ステップで検出されたウェーハ温度とをパラメータとして入力し、予め定められたシミュレーションモデルによる流れの計算を実行してエピタキシャル膜の膜厚分布を計算するステップＡと、
当該計算された膜厚分布が目標とする膜厚均一性を満たす範囲内にない場合には、予め定められたシミュレーションモデルにより前記複数の流量調節バルブの開度及びこれらの開度比の最適値を、前記膜厚分布が前記目標とする膜厚均一性を満たす範囲になるまで再計算するステップと、
当該目標とする膜厚均一性を満たす開度及びこれらの開度比の最適値を出力して前記複数の流量調節バルブを制御するステップと、
前記Ａ〜Ｃのステップをエピタキシャル膜の成長が終了するまで行う半導体ウェーハの製造方法。 - 前記加熱手段は、前記チャンバの上部の内側に設けられた上部内側加熱手段と、上部の外側に設けられた上部外側加熱手段と、前記チャンバの下部の内側に設けられた下部内側加熱手段と、下部の外側に設けられた下部外側加熱手段とを有する請求項６記載の半導体ウェーハの製造方法。
- 前記ガス導入手段は、前記チャンバ内に投入されたウェーハの中央に向かって反応ガスを導入する中央ガス導入手段と、前記チャンバ内に投入されたウェーハの外側に向かって反応ガスを導入する外側ガス導入手段とを有する請求項７記載の半導体ウェーハの製造装置。
- 前記チャンバ内に投入されたウェーハの温度を検出するステップは、前記ウェーハの中央の温度と、前記ウェーハの周囲の温度を検出する請求項６〜９の何れかに記載の半導体ウェーハの製造方法。
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