JP6564689B2 - 熱処理システム、熱処理方法、及び、プログラム - Google Patents

熱処理システム、熱処理方法、及び、プログラム Download PDF

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Description

本発明は、半導体ウエハ等の被処理体を熱処理する熱処理システム、熱処理方法、及び、プログラムに関し、特に、被処理体を多数枚一括して処理するバッチ式の熱処理システム、熱処理方法、及び、プログラムに関する。
半導体装置の製造工程では、多数枚の被処理体、例えば、半導体ウエハの成膜処理、酸化処理あるいは拡散処理などを一括して行うバッチ式の熱処理システムが用いられている。バッチ式の熱処理システムでは、効率的に半導体ウエハを処理することが可能であるが、多数枚の半導体ウエハの処理について、その処理の均一性を確保することは困難である。
このような問題を解決するため、例えば、特許文献１には、拡散炉内へガスを導入するガスインジェクターを上部用、中央部用、下部用の３本以上複数本有し、各々独立して流量を制御することによりガスの供給量を均一にし、半導体装置の歩留まりを向上させる方法が提案されている。
また、特許文献２には、成膜した簿膜の熱処理特性と、反応室内の温度およびガス流量の変化と熱処理特性の変化との関係を示すモデルとに基づいて、反応室内の温度およびガス流量を算出し制御することにより、目標とする熱処理特性を満たす熱処理に調整する方法が提案されている。
特許文献３には、入力された第１の膜および第２の膜の目標膜厚から、各層の重み付けを算出し、算出した重み付けと活性化エネルギーとに基づいて積層膜の活性化エネルギーを算出し、算出した活性化エネルギーと第１の膜および第２の膜の膜厚における各ＺＯＮＥの温度との関係とに基づいて積層膜のモデルを作成し、作成した積層膜のモデルを用いてＺＯＮＥごとの最適温度を算出し制御することにより、目標膜厚の積層膜を形成する方法が提案されている。
特開平１１−１２１３８９号公報 特開２０１３−２０７１０９号公報 特開２０１３−２０７１１０号公報
ところで、例えば、リン（Ｐ）のような不純物がドープ（Ｄｏｐｅ）された薄膜の製造方法では、薄膜に不純物をドープするドープ工程と、ドープされた不純物の膜中不純物濃度を均一にするアニール工程と、を備えるものがある。このような製造方法では、それぞれの工程毎に製造条件を定める必要があり、不純物濃度を均一に調整する作業が複雑になってしまう。さらに、これらの工程の製造条件は互いに干渉し合うことから、不純物濃度を均一に調整する作業の難易度が高くなってしまう。特に、薄膜の深さ方向の不純物濃度を均一に調整することは困難である。
このため、不純物をドープした薄膜の製造工程では、熱処理システムやプロセスに関する知識や経験の豊富な操作者の経験や勘に基づいて行われており、熱処理システムやプロセスに関する知識や経験のない操作者であっても、膜中の不純物濃度が均一になるような製造条件に容易に調整することができる熱処理システム及び熱処理方法が求められている。
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、製造条件を容易に調整することができる熱処理システム、熱処理方法、及び、プログラムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかる熱処理システムは、
被処理体に形成された薄膜に不純物をドープするドープ処理および前記薄膜にドープされた不純物を拡散する拡散処理により被処理体に不純物ドープ薄膜を形成する熱処理システムであって、
前記ドープ処理および前記拡散処理に関する熱処理条件を記憶する熱処理条件記憶手段と、
前記熱処理条件記憶手段に記憶された前記ドープ処理に関する熱処理条件の変化と、前記ドープ処理における前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示すドープ処理モデルと、前記熱処理条件記憶手段に記憶された前記拡散処理に関する熱処理条件の変化と、前記拡散処理における前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示す拡散処理モデルと、を記憶するモデル記憶手段と、
前記熱処理条件記憶手段により記憶された熱処理条件で前記不純物ドープ薄膜を形成する熱処理手段と、
前記熱処理手段により形成された不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるか否かを判別し、前記所望の範囲に含まれないと判別すると、当該不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度と前記モデル記憶手段により記憶された前記ドープ処理モデル及び前記拡散処理モデルとに基づいて、前記膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるような前記ドープ処理および前記拡散処理の熱処理条件を算出する算出手段と、
前記熱処理条件記憶手段により記憶された熱処理条件を前記算出手段により算出された熱処理条件に変更し、変更した熱処理条件でドープ処理および拡散処理を行うことにより、前記所望の範囲に含まれる不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度に調整する調整手段と、
を、備えることを特徴とする。
複数枚の前記薄膜が形成された被処理体を収容する処理室内を加熱する加熱手段と、
前記処理室内にドープ用ガスを供給する複数のガス供給手段と、
前記処理室内の圧力を制御する圧力制御手段と、を、さらに備え、
前記モデル記憶手段に記憶された前記ドープ処理モデルは、前記ドープ処理における前記加熱手段により加熱される処理室内の温度、前記圧力制御手段により制御される処理室内の圧力、前記ガス供給手段により供給させるドープ用ガスの流量、および前記ドープ処理の時間の変化と、前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示すモデルであり、前記モデル記憶手段に記憶された前記拡散処理モデルは、前記拡散処理における前記加熱手段により加熱される処理室内の温度、および、前記拡散処理の時間の変化と、前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示すモデルであり、
前記算出手段は、前記膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるような前記ドープ処理における前記加熱手段により加熱される処理室内の温度、前記圧力制御手段により制御される処理室内の圧力、前記ガス供給手段により供給させるドープ用ガスの流量、前記ドープ処理の時間、前記拡散処理における前記加熱手段により加熱される処理室内の温度、および、前記拡散処理の時間を算出してもよい。
前記処理室は複数のゾーンに区分けされ、
前記モデル記憶手段に記憶された前記ドープ処理モデルは、ゾーンごとの処理室内の温度およびドープ用ガスの流量の変化と、ゾーンごとの不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示し、前記モデル記憶手段に記憶された前記拡散処理モデルは、ゾーンごとの処理室内の温度の変化と、ゾーンごとの不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示し、
前記加熱手段は、前記処理室内のゾーンごとに温度設定可能であり、
前記ガス供給手段は、前記処理室内のゾーンごとにドープ用ガスの流量を設定可能であってもよい。
前記モデル記憶手段に記憶された前記ドープ処理モデル及び前記拡散処理モデルは、例えば、前記薄膜の深さごとの膜中不純物濃度の変化と、前記熱処理条件の変化との関係を示すモデルが記憶されている。
前記算出手段は、前記膜中不純物濃度が、前記薄膜の深さ方向に均一となるように、前記ドープ処理および前記拡散処理の熱処理条件を算出してもよい。
本発明の第２の観点にかかる熱処理方法は、
被処理体に形成された薄膜に不純物をドープするドープ処理および前記薄膜にドープされた不純物を拡散する拡散処理により被処理体に不純物ドープ薄膜を形成する熱処理方法であって、
前記ドープ処理および前記拡散処理に関する熱処理条件を記憶する熱処理条件記憶工程と、
前記熱処理条件記憶工程で記憶された前記ドープ処理に関する熱処理条件の変化と、前記ドープ処理における前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示すドープ処理モデルと、前記熱処理条件記憶工程で記憶された前記拡散処理に関する熱処理条件の変化と、前記拡散処理における前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示す拡散処理モデルと、を記憶するモデル記憶工程と、
前記熱処理条件記憶工程で記憶された熱処理条件で前記不純物ドープ薄膜を形成する熱処理工程と、
前記熱処理工程により形成された不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるか否かを判別し、前記所望の範囲に含まれないと判別すると、当該不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度と前記モデル記憶工程で記憶された前記ドープ処理モデル及び前記拡散処理モデルとに基づいて、前記膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるような前記ドープ処理および前記拡散処理の熱処理条件を算出する算出工程と、
前記熱処理条件記憶工程で記憶された熱処理条件を前記算出工程で算出された熱処理条件に変更し、変更した熱処理条件でドープ処理および拡散処理を行うことにより、前記所望の範囲に含まれる不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度に調整する調整工程と、
を、備えることを特徴とする。
本発明の第３の観点にかかるプログラムは、
被処理体に形成された薄膜に不純物をドープするドープ処理および前記薄膜にドープされた不純物を拡散する拡散処理により被処理体に不純物ドープ薄膜を形成する熱処理システムとして機能させるプログラムであって、
コンピュータを、
前記ドープ処理および前記拡散処理に関する熱処理条件を記憶する熱処理条件記憶手段、
前記熱処理条件記憶手段に記憶された前記ドープ処理に関する熱処理条件の変化と、前記ドープ処理における前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示すドープ処理モデルと、前記熱処理条件記憶工程で記憶された前記拡散処理に関する熱処理条件の変化と、前記拡散処理における前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示す拡散処理モデルと、を記憶するモデル記憶手段、
前記熱処理条件記憶手段により記憶された熱処理条件で前記不純物ドープ薄膜を形成する熱処理手段、
前記熱処理手段により形成された不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるか否かを判別し、前記所望の範囲に含まれないと判別すると、当該不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度と前記モデル記憶手段により記憶された前記ドープ処理モデル及び前記拡散処理モデルとに基づいて、前記膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるような前記ドープ処理および前記拡散処理の熱処理条件を算出する算出手段、
前記熱処理条件記憶手段により記憶された熱処理条件を前記算出手段により算出された熱処理条件に変更し、変更した熱処理条件でドープ処理および拡散処理を行うことにより、前記所望の範囲に含まれる不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度に調整する調整手段、
として機能させることを特徴とする。
本発明によれば、製造条件を容易に調整することができる熱処理システム、熱処理方法、及び、プログラムを提供することができる。
本発明の実施の形態に係る熱処理装置の構造を示す図である。 図１の制御部の構成例を示す図である。 反応管内のゾーン（ＺＯＮＥ）を示す図である。 Ｄｏｐｅ工程および拡散工程の製造条件の変化と、所定ＺＯＮＥの温度またはＰＨ３の流量の変化と、各ＺＯＮＥに形成される膜中Ｐ濃度との関係を示す図である。 調整処理を説明するためのフローチャートである。 操作者が入力したＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）はプロセス用レシピの一例を示す図である。 測定されたＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は算出された温度、時間および流量を示す図である。 調整前後のＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度を示す図である。
以下、本発明の熱処理システム、熱処理方法、及び、プログラムを、図１に示すバッチ式の縦型の熱処理装置１に適用した場合を例に本実施の形態を説明する。また、本実施の形態では、被処理体に形成されたポリシリコン（ＰＯＬＹ）の薄膜に、ドープ用ガスとしてＰＨ３ガスを用いて、膜中リン（Ｐ）濃度が均一なリンドープポリシリコン膜（ＰＯＬＹ膜）を形成する場合を例に本発明を説明する。
図１に示すように、本実施の形態の熱処理装置１は、略円筒状で有天井の反応管２を備えている。反応管２は、その長手方向が垂直方向に向くように配置されている。反応管２は、耐熱及び耐腐食性に優れた材料、例えば、石英により形成されている。
反応管２の下側には、略円筒状のマニホールド３が設けられている。マニホールド３は、その上端が反応管２の下端と気密に接合されている。マニホールド３には、反応管２内のガスを排気するための排気管４が気密に接続されている。排気管４には、バルブ、真空ポンプなどからなる圧力調整部５が設けられており、反応管２内を所望の圧力（真空度）に調整する。
マニホールド３（反応管２）の下方には、蓋体６が配置されている。蓋体６は、ボートエレベータ７により上下動可能に構成され、ボートエレベータ７により蓋体６が上昇するとマニホールド３（反応管２）の下方側（炉口部分）が閉鎖され、ボートエレベータ７により蓋体６が下降すると反応管２の下方側（炉口部分）が開口されるように配置されている。
蓋体６の上部には、保温筒（断熱体）８を介して、ウエハボート９が設けられている。ウエハボート９は、被処理体、例えば、半導体ウエハＷを収容（保持）するウエハ保持具であり、本実施の形態では、半導体ウエハＷが垂直方向に所定の間隔をおいて複数枚、例えば、１５０枚収容可能に構成されている。そして、ウエハボート９に半導体ウエハＷを収容し、ボートエレベータ７により蓋体６を上昇させることにより、半導体ウエハＷが反応管２内にロードされる。
反応管２の周囲には、反応管２を取り囲むように、例えば、抵抗発熱体からなるヒータ部１０が設けられている。このヒータ部１０により反応管２の内部が所定の温度に加熱され、この結果、半導体ウエハＷが所定の温度に加熱される。ヒータ部１０は、例えば、３段に配置されたヒータ１１〜１３から構成され、ヒータ１１〜１３には、それぞれ電力コントローラ１６〜１８が接続されている。このため、この電力コントローラ１６〜１８にそれぞれ独立して電力を供給することにより、ヒータ１１〜１３をそれぞれ独立に所望の温度に加熱することができる。このように、反応管２内は、このヒータ１１〜１３により、図３に示すような３つのゾーンに区分されている。例えば、反応管２内のＴＯＰ（ＺＯＮＥ）を加熱する場合には、電力コントローラ１６を制御してヒータ１１を所望の温度に加熱する。反応管２内のＣＥＮＴＥＲ（ＣＴＲ（ＺＯＮＥ））を加熱する場合には、電力コントローラ１７を制御してヒータ１２を所望の温度に加熱する。反応管２内のＢＯＴＴＯＭ（ＢＴＭ（ＺＯＮＥ））を加熱する場合には、電力コントローラ１８を制御してヒータ１３を所望の温度に加熱する。
また、マニホールド３には、反応管２内に処理ガスを供給する複数の処理ガス供給管が設けられている。本例では、処理ガス供給管から供給される処理ガスとして、ドープ用ガスとしてのＰＨ３ガスなどがある。なお、図１では、マニホールド３にＰＨ３ガスを供給する３つのＰＨ３ガス供給管２１〜２３を図示している。
ＰＨ３ガス供給管２１は、マニホールド３の側方からウエハボート９の上部（ＴＯＰ）付近まで延びるように形成されている。ＰＨ３ガス供給管２２は、マニホールド３の側方からウエハボート９の中央（ＣＴＲ）付近まで延びるように形成されている。ＰＨ３ガス供給管２３は、マニホールド３の側方からウエハボート９の下部（ＢＴＭ）付近まで延びるように形成されている。このため、反応管２内のＴＯＰ（ＺＯＮＥ）からＰＨ３ガスを供給する場合にはＰＨ３ガス供給管２１を介して反応管２内に供給し、反応管２内のＣＴＲ（ＺＯＮＥ）からＰＨ３ガスを供給する場合にはＰＨ３ガス供給管２２を介して反応管２内に供給し、反応管２内のＢＴＭ（ＺＯＮＥ）からＰＨ３ガスを供給する場合にはＰＨ３ガス供給管２３を介して反応管２内に供給する。
各ＰＨ３ガス供給管２１〜２３には、それぞれ、流量調整部２４〜２６が設けられている。流量調整部２４〜２６は、ＰＨ３ガス供給管２１〜２３内を流れるＰＨ３ガスの流量を調整するためのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）などから構成されている。このため、ＰＨ３ガス供給管２１〜２３から供給されるＰＨ３ガスは、流量調整部２４〜２６により所望の流量に調整されて、それぞれ反応管２内に供給される。
また、熱処理装置１は、反応管２内のガス流量、圧力、処理雰囲気の温度といった処理パラメータを制御するための制御部（コントローラ）５０を備えている。制御部５０は、流量調整部２４〜２６、圧力調整部５、ヒータ１１〜１３の電力コントローラ１６〜１８等に制御信号を出力する。図２に制御部５０の構成を示す。
図２に示すように、制御部５０は、モデル記憶部５１と、レシピ記憶部５２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）５３と、ＲＡＭ（Random Access Memory）５４と、Ｉ／Ｏ（Input/Output Port）ポート５５と、ＣＰＵ（Central Processing Unit)５６と、これらを相互に接続するバス５７と、から構成されている。
モデル記憶部５１には、ドープ工程の時間、圧力、温度（ＴＯＰ、ＣＴＲ、ＢＴＭ）、ガス（ＰＨ３）の流量（ＴＯＰ、ＣＴＲ、ＢＴＭ）、アニール（拡散）工程の温度（ＴＯＰ、ＣＴＲ、ＢＴＭ）、時間の変化と、ＰＯＬＹ膜（表層、中層、深層）の膜中Ｐ濃度との関係を示すモデルが記憶されている。なお、このモデルの詳細については後述する。
レシピ記憶部５２には、この熱処理装置１で実行される成膜処理の種類に応じて、制御手順を定めるプロセス用レシピが記憶されている。プロセス用レシピは、ユーザが実際に行う処理（プロセス）毎に用意されるレシピであり、反応管２への半導体ウエハＷのロードから、処理済みの半導体ウエハＷをアンロードするまでの、各部の温度の変化、反応管２内の圧力変化、ガスの供給の開始及び停止のタイミング、供給量などを規定する。
ＲＯＭ５３は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ハードディスクなどから構成され、ＣＰＵ５６の動作プログラムなどを記憶する記録媒体である。
ＲＡＭ５４は、ＣＰＵ５６のワークエリアなどとして機能する。
Ｉ／Ｏポート５５は、温度、圧力、ガスの流量に関する測定信号をＣＰＵ５６に供給すると共に、ＣＰＵ５６が出力する制御信号を各部（圧力調整部５、ヒータ１１〜１３の電力コントローラ１６〜１８、流量調整部２４〜２６等）へ出力する。また、Ｉ／Ｏポート５５には、操作者が熱処理装置１を操作する操作パネル５８が接続されている。
ＣＰＵ５６は、制御部５０の中枢を構成し、ＲＯＭ５３に記憶された動作プログラムを実行し、操作パネル５８からの指示に従って、レシピ記憶部５２に記憶されているプロセス用レシピに沿って、熱処理装置１の動作を制御する。
また、ＣＰＵ５６は、モデル記憶部５１に記憶されているモデルと、ゾーン毎に測定した薄膜の膜中Ｐ濃度とに基づいて、ドープ工程および拡散工程の製造条件を算出する。また、ＣＰＵ５６は、対応するレシピ記憶部５２に記憶されているドープ工程および拡散工程の製造条件を、算出したドープ工程および拡散工程の製造条件に更新する。そして、ＣＰＵ５６は、更新したドープ工程および拡散工程の製造条件となるように、電力コントローラ等に制御信号を出力する。
バス５７は、各部の間で情報を伝達する。
次に、モデル記憶部５１に記憶されているモデルについて説明する。前述のように、モデル記憶部５１には、ドープ工程の時間、圧力、温度（ＴＯＰ、ＣＴＲ、ＢＴＭ）、ガス（ＰＨ３）の流量（ＴＯＰ、ＣＴＲ、ＢＴＭ）、アニール（拡散）工程の温度（ＴＯＰ、ＣＴＲ、ＢＴＭ）、時間の変化と、ＰＯＬＹ膜（表層、中層、深層）の膜中Ｐ濃度との関係を示すモデルが記憶されている。図４に、このモデルの一例を示す。
図４に示すように、このモデルは、Ｄｏｐｅ工程の処理時間を１分（ｍｉｎ）、圧力を１Ｐａ、所定ＺＯＮＥの温度を１℃、ＰＨ３の流量を１ｓｃｃｍ、拡散工程の所定ＺＯＮＥの温度を１℃または処理時間を１ｍｉｎ増やした、ＴＯＰ、ＣＴＲ、ＢＴＭのゾーン毎にＰＯＬＹ膜の深さの異なる３箇所（表層、中層、深層）の膜中Ｐ濃度がどれだけ変化するかを示している。
例えば、図４中の実線で囲まれた箇所は、Ｄｏｐｅ工程において、電力コントローラ１８を制御することによりヒータ１３を加熱して、ＢＴＭゾーンの温度設定値を１℃上げると、ＢＴＭゾーンのＰＯＬＹ膜の表層の膜中Ｐ濃度が０．１０４（Ｅ＋２０）ａｔｏｍｓ／ｃｍ３増加し、中層の膜中Ｐ濃度が０．１４８（Ｅ＋２０）ａｔｏｍｓ／ｃｍ３増加し、深層の膜中Ｐ濃度が０．１３４（Ｅ＋２０）ａｔｏｍｓ／ｃｍ３増加することを示している。
また、図４中の破線で囲まれた箇所は、拡散工程の処理時間を１ｍｉｎ増やすと、ＢＴＭゾーンのＰＯＬＹ膜の表層の膜中Ｐ濃度が０．０６（Ｅ＋２０）ａｔｏｍｓ／ｃｍ３増加し、中層の膜中Ｐ濃度が０．１８（Ｅ＋２０）ａｔｏｍｓ／ｃｍ３減少し、深層の膜中Ｐ濃度が０．０６（Ｅ＋２０）ａｔｏｍｓ／ｃｍ３増加することを示している。
このようなモデルを用い、各ＺＯＮＥ、および、各深さについて、ＰＯＬＹ膜にＤｏｐｅ、拡散された膜中Ｐ濃度が均一となるＤｏｐｅ工程および拡散工程の製造条件を最適化アルゴリズムを利用して算出、調整する。なお、このモデルは、Ｄｏｐｅ工程および拡散工程の製造条件を変化させたときに、各ＺＯＮＥのＰＯＬＹ膜（表層、中層、深層）の膜中Ｐ濃度がどれだけ変化するかを示すことができるものであればよく、これ以外の種々のモデルを用いてもよい。
また、このモデルは、装置の状態等によってデフォルトの数値が最適でない場合も考えられることから、ソフトウエアに拡張カルマンフィルターなどを付加して学習機能を搭載することにより、モデルの学習を行うものであってもよい。このカルマンフィルターによる学習機能については、例えば、米国特許第５ ，９９１，５２５号公報などに開示されている手法を利用することができる。
次に、以上のように構成された熱処理装置１を用いて、ＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度を調整する調整方法（調整処理）について説明する。本例では、ＰＯＬＹ膜にリン（Ｐ）をドープ、拡散して、形成されたＰＯＬＹ膜の各ゾーンおよび各深さの膜中Ｐ濃度を均一に調整する場合を例に説明する。図５は、本例の調整処理を説明するためのフローチャートである。
この調整処理においては、操作者は、操作パネル５８を操作して、プロセス種別（本例では、ＰＨ３ガスを用いたリンドープＰＯＬＹ膜の形成）を選択するとともに、図６に示すように、ターゲットとするＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度をゾーンごとに入力する。
制御部５０（ＣＰＵ５６）は、プロセス種別等の必要な情報が入力されたか否かを判別する（ステップＳ１）。ＣＰＵ５６は、必要な情報が入力されていると判別すると（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、入力されたプロセス種別に対応するプロセス用レシピをレシピ記憶部５２から読み出す（ステップＳ２）。プロセス用レシピには、反応管２内の圧力、温度、ＰＨ３ガスの流量などの製造条件が記憶されている。このプロセス用レシピには、図７に示すように、反応管２内のＺＯＮＥごとに、Ｄｏｐｅ工程の温度（図７（ａ））、時間（図７（ｂ））、ＰＨ３ガスの流量（図７（ｃ））、拡散工程の温度（図７（ｄ））、拡散時間（図７（ｅ））などが記憶されている。
次に、ＣＰＵ５６は、ボートエレベータ７（蓋体６）を降下させ、少なくとも各ＺＯＮＥに半導体ウエハＷ（モニターウエハ）を搭載したウエハボート９を蓋体６上に配置する。続いて、ＣＰＵ５６は、ボートエレベータ７（蓋体６）を上昇して、ウエハボート９（モニターウエハ）を反応管２内にロードする。そして、ＣＰＵ５６は、レシピ記憶部５２から読み出したレシピに従って、圧力調整部５、ヒータ１１〜１３の電力コントローラ１６〜１８、流量調整部２４〜２６等を制御して、モニターウエハに形成されたＰＯＬＹ膜にリン（Ｐ）をドープ、拡散する（ステップＳ３）。
ＣＰＵ５６は、ドープ、拡散処理が終了すると、ボートエレベータ７（蓋体６）を降下させ、ＰＯＬＹ膜にリンがドープされたモニターウエハをアンロードし、このモニターウエハを、例えば、図示しない測定装置に搬送し、ＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度を測定させる（ステップＳ４）。測定装置では、ＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度を測定すると、例えば、図８に示すような測定したＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度データを熱処理装置１（ＣＰＵ５６）に送信する。なお、操作者が操作パネル５８を操作して、測定結果を入力してもよい。
ＣＰＵ５６は、測定されたＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度データを受信すると、受信した膜中Ｐ濃度データが、入力されたＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度と一致するか否かを判別する（ステップＳ５）。なお、操作者がＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度と一致するか否かを判別し、その結果を操作パネル５８を操作して入力してもよい。
ＣＰＵ５６は、両者が一致しないと判別すると（ステップＳ５；Ｎｏ）、製造条件、例えば、Ｄｏｐｅ工程の温度、時間、ＰＨ３ガスの流量、拡散工程の温度、時間を算出（調整）する（ステップＳ６）。
これらの製造条件の数値の算出は、例えば、図４に示すドープ工程の時間、圧力、温度、ＰＨ３の流量、拡散工程の温度、時間の変化と、ＰＯＬＹ膜（表層、中層、深層）の膜中Ｐ濃度との関係を示すモデルから、目標の膜中Ｐ濃度となるような温度、ＰＨ３の流量等を最適化アルゴリズムを利用して算出する。例えば、図８に示す測定結果の場合、Ｄｏｐｅ工程の温度、時間、ＰＨ３ガスの流量、拡散工程の温度、時間は、図９に示す値が算出される。
次に、ＣＰＵ５６は、読み出したレシピの製造条件を算出した製造条件（Ｄｏｐｅ工程の温度、時間、ＰＨ３ガスの流量、拡散工程の温度、時間）に更新し（ステップＳ７）、再び、ステップＳ３〜ステップＳ５を実行する。すなわち、ＣＰＵ５６は、Ｄｏｐｅ工程における反応管２内の温度について、ヒータ１１の温度を３９９．３℃、ヒータ１２の温度を３９７．７℃、ヒータ１３の温度を３９７．４℃、Ｄｅｐｏ時間を３１．１ｍｉｎとなるように、電力コントローラ１６〜１８を制御する。また、ＣＰＵ５６は、ＰＨ３ガス供給管２１から５．４ｓｃｃｍ、ＰＨ３ガス供給管２２から８．６ｓｃｃｍ、ＰＨ３ガス供給管２３から１０．２ｓｃｃｍのＰＨ３ガスが供給できるように流量調整部２４〜２６を制御する。また、拡散工程における反応管２内の温度について、ヒータ１１の温度を４９９．０℃、ヒータ１２の温度を４９８．９℃、ヒータ１３の温度を４９８．９℃、拡散時間を２７．７ｍｉｎとなるように、電力コントローラ１６〜１８を制御する。そして、ＣＰＵ５６は、モニターウエハのＰＯＬＹ膜にリン（Ｐ）をドープ、拡散し（ステップＳ３）、図示しない測定装置にＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度を測定させた後（ステップＳ４）、入力されたＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度と一致するか否かを判別する（ステップＳ５）。本例の場合、図１０に示すように、測定したＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度と入力されたＰＯＬＹ膜の膜中濃度とが一致した。このように、熱処理装置やプロセスに関する知識や経験のない操作者であってもＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度が均一なるような製造条件に容易に調整することができた。なお、ＣＰＵ５６は、両者が一致しないと判別すると（ステップＳ５；Ｎｏ）、再び、ステップＳ６、ステップＳ７、ステップＳ３〜ステップＳ５を実行する。
そして、ＣＰＵ５６は、両者が一致すると判別すると（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、この処理を終了する。
以上説明したように、本実施の形態によれば、プロセス種別と、ターゲットとするＰＯＬＹ膜の目標Ｐ濃度を入力するだけで、ＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度が均一なるような製造条件に容易に調整することができる。このため、熱処理装置やプロセスに関する知識や経験のない操作者であってもＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度が均一となるような製造条件に容易に調整することができる。
なお、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な他の実施の形態について説明する。
上記実施の形態では、測定したＰＯＬＹ膜の膜厚中Ｐ濃度と、目標とするＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度とを一致させる場合を例に本発明を説明したが、例えば、目標とするＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度に許容可能な範囲、例えば、±１％程度の範囲を設け、この範囲内に測定したＰＯＬＹ膜の膜中Ｐ濃度が含まれる場合に調整処理を終了させてもよい。
上記実施の形態では、ドープ用ガスとしてＰＨ３ガスを用いてリンドープポリシリコン膜（ＰＯＬＹ膜）を形成する場合を例に本発明を説明したが、ドープさせる不純物はリンに限定されるものではなく、例えば、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、ヒ素（Ａｓ）であってもよい。また、形成する薄膜はポリシリコン膜に限定されるものではなく、アモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ膜）、エピタキシャルＳｉ膜（Ｅｐｉ−Ｓｉ膜）、ゲルマニウム膜（Ｇｅ膜）、シリコンゲルマニウム膜（ＳｉＧｅ膜）などの各種の成膜に本発明を適用可能である。
また、ドープ用ガスとして、例えば、１％ＰＨ３ガス、１０％ＰＨ３ガスのような不純物の濃度の異なる複数の不純物添加ガスを用い、これらを切り替えることにより膜中Ｐ濃度を調整するようにしてもよい。
上記実施の形態では、熱処理装置１に３つのＰＨ３ガス供給管が設けられている場合を例に本発明を説明したが、ＰＨ３ガス供給管の数は２つであっても、４つ以上であってもよく、任意に設定可能である。また、ヒータの段数（ゾーンの数）や、各ゾーンから抽出するモニターウエハの数などは任意に設定可能である。
上記実施の形態では、単管構造のバッチ式熱処理装置の場合を例に本発明を説明したが、例えば、反応管２が内管と外管とから構成された二重管構造のバッチ式縦型熱処理装置に本発明を適用することも可能である。また、本発明は、半導体ウエハの処理に限定されるものではなく、例えば、ＦＰＤ（Flat Panel Display）基板、ガラス基板、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）基板などの処理にも適用可能である。
本発明の実施の形態にかかる制御部５０は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。例えば、汎用コンピュータに、上述の処理を実行するためのプログラムを格納した記録媒体（フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）など）から当該プログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行する制御部５０を構成することができる。
そして、これらのプログラムを供給するための手段は任意である。上述のように所定の記録媒体を介して供給できる他、例えば、通信回線、通信ネットワーク、通信システムなどを介して供給してもよい。この場合、例えば、通信ネットワークの掲示板（ＢＢＳ：Bulletin Board System）に当該プログラムを掲示し、これをネットワークを介して搬送波に重畳して提供してもよい。そして、このように提供されたプログラムを起動し、ＯＳ（Operating System）の制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、上述の処理を実行することができる。
本発明は熱処理システムに有用である。
１ 熱処理装置
２ 反応管
３ マニホールド
６ 蓋体
９ ウエハボート
１０ ヒータ部
１１〜１３ ヒータ
１６〜１８ 電力コントローラ
２１〜２３ ＰＨ３ガス供給管
２４〜２６ 流量調整部
５０ 制御部
５１ モデル記憶部
５２ レシピ記憶部
５３ ＲＯＭ
５４ ＲＡＭ
５６ ＣＰＵ
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (7)

  1. 被処理体に形成された薄膜に不純物をドープするドープ処理および前記薄膜にドープされた不純物を拡散する拡散処理により被処理体に不純物ドープ薄膜を形成する熱処理システムであって、
    前記ドープ処理および前記拡散処理に関する熱処理条件を記憶する熱処理条件記憶手段と、
    前記熱処理条件記憶手段に記憶された前記ドープ処理に関する熱処理条件の変化と、前記ドープ処理における前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示すドープ処理モデルと、前記熱処理条件記憶手段に記憶された前記拡散処理に関する熱処理条件の変化と、前記拡散処理における前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示す拡散処理モデルと、を記憶するモデル記憶手段と、
    前記熱処理条件記憶手段により記憶された熱処理条件で前記不純物ドープ薄膜を形成する熱処理手段と、
    前記熱処理手段により形成された不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるか否かを判別し、前記所望の範囲に含まれないと判別すると、当該不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度と前記モデル記憶手段により記憶された前記ドープ処理モデル及び前記拡散処理モデルとに基づいて、前記膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるような前記ドープ処理および前記拡散処理の熱処理条件を算出する算出手段と、
    前記熱処理条件記憶手段により記憶された熱処理条件を前記算出手段により算出された熱処理条件に変更し、変更した熱処理条件でドープ処理および拡散処理を行うことにより、前記所望の範囲に含まれる不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度に調整する調整手段と、
    を、備えることを特徴とする熱処理システム。
  2. 複数枚の前記薄膜が形成された被処理体を収容する処理室内を加熱する加熱手段と、
    前記処理室内にドープ用ガスを供給する複数のガス供給手段と、
    前記処理室内の圧力を制御する圧力制御手段と、を、さらに備え、
    前記モデル記憶手段に記憶された前記ドープ処理モデルは、前記ドープ処理における前記加熱手段により加熱される処理室内の温度、前記圧力制御手段により制御される処理室内の圧力、前記ガス供給手段により供給させるドープ用ガスの流量、および前記ドープ処理の時間の変化と、前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示すモデルであり、前記モデル記憶手段に記憶された前記拡散処理モデルは、前記拡散処理における前記加熱手段により加熱される処理室内の温度、および、前記拡散処理の時間の変化と、前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示すモデルであり、
    前記算出手段は、前記膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるような前記ドープ処理における前記加熱手段により加熱される処理室内の温度、前記圧力制御手段により制御される処理室内の圧力、前記ガス供給手段により供給させるドープ用ガスの流量、前記ドープ処理の時間、前記拡散処理における前記加熱手段により加熱される処理室内の温度、および、前記拡散処理の時間を算出する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の熱処理システム。
  3. 前記処理室は複数のゾーンに区分けされ、
    前記モデル記憶手段に記憶された前記ドープ処理モデルは、ゾーンごとの処理室内の温度およびドープ用ガスの流量の変化と、ゾーンごとの不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示し、前記モデル記憶手段に記憶された前記拡散処理モデルは、ゾーンごとの処理室内の温度の変化と、ゾーンごとの不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示し、
    前記加熱手段は、前記処理室内のゾーンごとに温度設定可能であり、
    前記ガス供給手段は、前記処理室内のゾーンごとにドープ用ガスの流量を設定可能である、ことを特徴とする請求項２に記載の熱処理システム。
  4. 前記モデル記憶手段に記憶された前記ドープ処理モデル及び前記拡散処理モデルは、前記薄膜の深さごとの膜中不純物濃度の変化と、前記熱処理条件の変化との関係を示すモデルが記憶されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱処理システム。
  5. 前記算出手段は、前記膜中不純物濃度が、前記薄膜の深さ方向に均一となるように、前記ドープ処理および前記拡散処理の熱処理条件を算出する、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱処理システム。
  6. 被処理体に形成された薄膜に不純物をドープするドープ処理および前記薄膜にドープされた不純物を拡散する拡散処理により被処理体に不純物ドープ薄膜を形成する熱処理方法であって、
    前記ドープ処理および前記拡散処理に関する熱処理条件を記憶する熱処理条件記憶工程と、
    前記熱処理条件記憶工程で記憶された前記ドープ処理に関する熱処理条件の変化と、前記ドープ処理における前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示すドープ処理モデルと、前記熱処理条件記憶工程で記憶された前記拡散処理に関する熱処理条件の変化と、前記拡散処理における前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示す拡散処理モデルと、を記憶するモデル記憶工程と、
    前記熱処理条件記憶工程で記憶された熱処理条件で前記不純物ドープ薄膜を形成する熱処理工程と、
    前記熱処理工程により形成された不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるか否かを判別し、前記所望の範囲に含まれないと判別すると、当該不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度と前記モデル記憶工程で記憶された前記ドープ処理モデル及び前記拡散処理モデルとに基づいて、前記膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるような前記ドープ処理および前記拡散処理の熱処理条件を算出する算出工程と、
    前記熱処理条件記憶工程で記憶された熱処理条件を前記算出工程で算出された熱処理条件に変更し、変更した熱処理条件でドープ処理および拡散処理を行うことにより、前記所望の範囲に含まれる不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度に調整する調整工程と、
    を、備えることを特徴とする熱処理方法。
  7. 被処理体に形成された薄膜に不純物をドープするドープ処理および前記薄膜にドープされた不純物を拡散する拡散処理により被処理体に不純物ドープ薄膜を形成する熱処理システムとして機能させるプログラムであって、
    コンピュータを、
    前記ドープ処理および前記拡散処理に関する熱処理条件を記憶する熱処理条件記憶手段、
    前記熱処理条件記憶手段に記憶された前記ドープ処理に関する熱処理条件の変化と、前記ドープ処理における前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示すドープ処理モデルと、前記熱処理条件記憶工程で記憶された前記拡散処理に関する熱処理条件の変化と、前記拡散処理における前記不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度の変化との関係を示す拡散処理モデルと、を記憶するモデル記憶手段、
    前記熱処理条件記憶手段により記憶された熱処理条件で前記不純物ドープ薄膜を形成する熱処理手段、
    前記熱処理手段により形成された不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるか否かを判別し、前記所望の範囲に含まれないと判別すると、当該不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度と前記モデル記憶手段により記憶された前記ドープ処理モデル及び前記拡散処理モデルとに基づいて、前記膜中不純物濃度が所望の範囲に含まれるような前記ドープ処理および前記拡散処理の熱処理条件を算出する算出手段、
    前記熱処理条件記憶手段により記憶された熱処理条件を前記算出手段により算出された熱処理条件に変更し、変更した熱処理条件でドープ処理および拡散処理を行うことにより、前記所望の範囲に含まれる不純物ドープ薄膜の膜中不純物濃度に調整する調整手段、
    として機能させることを特徴とするプログラム。
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