JPH0414826A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は半導体の製造装置に関するものであり、パージ
ガス吹出しノズルを改暦することにより、半導体に用い
られている絶縁膜の膜厚を精度よ（検出し、これを制御
することができる半導体の製造装置に関する。

〔従来の技術１ 近年半導体の高集積化に伴い、半導体の最小設計寸法は
１．５μｍより、１．０μｍ、さらに０．８μｍとます
ます微細化が進んでいる。それに伴って絶縁膜の膜厚に
ついてもより精度の高いものが要求されるようになって
いる０例えばＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ　Ｄｏｐｅｄ　Ｄ
ｒａｉｎ　）構造のＭＯＳトランジスタにおいては、ゲ
ートのサイドスペーサを形成する際の酸化膜厚のばらつ
きはサイドスペーサ幅およびＭＯＳトランジスタの電気
特性のばらつきに直接影響する。このため、絶縁膜厚の
ばらつきを最小限に抑制することが重要となってきてい
る。

絶縁膜のばらつきの主原因は成膜速度の不安定性及び経
時変化である。この問題はバッチ式の成膜装置において
著しい。ウェハ内及びバ・ソチ内のばらつきが±５％程
度でもバッチ間ばらつきが±１５％程度になって規格外
れとなることもあるにの膜厚ばらつきの問題に対する一
つの解決手段として炉内温度分布、ガス流れ分布あるい
は反応ガス排圧の制御をより高精度に行う種々の工夫が
なされてきた（特開昭６２−１３１５２３号、実開昭６
３−１１５６２号公報）。しかし、これら装置の改造に
よってもバ・フチ間の膜厚ばらつきを数％以内に抑える
ことは困難であった。

一方、他の解決手段として膜厚をエリプソメトノー法に
よりインラインで測定して、測定値が設定価に達した時
点で成膜を停止する技術手段が開示されている（特開昭
６１−２７２９３７号公報）。この手段によれば成膜速
度が不安定であったり、また、経時変化があっても精度
よく膜厚を制御することができる。ところが、この手段
における最大の問題点は膜厚を７ｊ１１定するためのレ
ーザ投光窓及び受光窓に絶縁膜のフレークが付着して、
膜厚が検出できな（なることである。このため、このイ
ンライン膜厚測定は現状では工程化が困難であるという
問題があった。

〔発明が解決しようとする課題」 上述問題を解決するために、特開昭５２−１２７０６５
号公報に示されるように、パージガスを観測窓周辺の炉
壁に吹付ける等によりガスパージによるフレーク付着防
止手段が提案されている。

これを第１１図に示す。第１１図において、１２ａは成
膜装置、１３はサセプタ、１４はウェハ、１０ａは成膜
ガス導入部、１９は赤外線放射温度計、２０はパージノ
ズルを示す。

ところが、この手段によると、観測窓にフレークが付着
しないようにするためには多量のパージガスを吹付けね
ばならず、そのために炉内ガス流れを乱して成膜条件を
変化させるという問題が発生した。また、パージガスに
よって絶縁膜のフレークをパージしていても、徐々にフ
レークの付着が成長し、期待されるようなパージ効果が
得られないという問題も生じた。

本発明は上述の問題点を解決するためのものであり、成
膜装置内のガス流れを乱すことなく、かつホ１１定窓面
にフレークが付着せずに長期に渡って安定に膜厚を測定
できる半導体製造装置を提供することを課題とするもの
である。

［課題を解決するための手段１ 本発明は気相成長反応室内に気相成長反応ガスを導入す
る吹込ノズルとは別個に、反応ガスが観測窓部に付着す
るのを防止するパージガス吹出しノズルを備えた半導体
製造装置に適用され次の技術手段を採った。すなわち、 パージガス吹出しノズルは、円形観測窓部を囲繞して配
設した円環体にノズルスリットを周設すると共に、ノズ
ルスリットの開口部を観測窓部内面にかつ観測窓部の中
心に指向させたことを特徴とする半導体製造装置である
。

パージガス吹出しノズルを筒体の先端部から入込んだ位
置に組込み、筒体の先端部を反応室の外壁に貫設しても
よい。

ノズルスリットの開口部を観測窓部内面に替えて反応室
内に指向させてもよい。

筒体の先端部と、観測窓部またはパージガス吹出しノズ
ルとの距離を該筒体の内径の１／２〜３０倍とすること
ができる。

［作用］ 本発明者は、フレーク付着の原因を解明するために、パ
ージノズルの形状を種々変化させて、観測窓のガスバー
ジを行った時のパージ面前方の微差圧測定とフレーク付
着状況を調査した。この結果、第１Ｏ図（ａ）に示すよ
うに筒体４の先端部に設けられたノズルスリット１１が
前方を向いておりパージガスが直接観測窓２に当たらな
い構造では、第１０図（Ｃ）に示すように、観測窓２前
方の観測窓２から離れた所において圧力が極大となり、
観測窓２直近及びノズル３の周囲では圧力は負値になる
ことが判った。ここに第１０図（ａ）はノズルの断面図
、第１Ｏ図（ｂ）は斜視図、第１Ｏ図（ｃ）はパージガ
ス圧分布図を示したものである。

このため、雰囲気に成膜ガス（成長反応ガス）が存在す
ると、成膜ガスが観測窓２に吸い寄せられ、フレークと
して付着する。

ところが、第１図（ａ）に示すようにパージガスが直接
観測窓２に当たる構造にすると第１図（ｃ）に示すよう
に観測窓２の直近で圧力が最大となり、前方に向かって
減少するにの場合、少量のガス量でも観測窓２にフレー
クが付着しない。

そこで本発明ではパージノズル３を膜厚観測窓２にパー
ジガスを直接吹付ける構造にすることにより、装置内ガ
ス流れ分布を乱さない少量のガスで観測窓２にフレーク
が付着しないようにしたものである。

また、第３図に示すようにノズル３及び観測窓２を筒体
４の先端より引っ込めると、筒体内での圧力自記は筒体
内面に沿ってほぼ平行となり、しかも筒体内では外部雰
囲気に対して正圧となり、観測窓２及びノズル３の近傍
はど圧力が高くなる。この場合、外部雰囲気に存在する
成膜ガスは筒体内に入らず、少量のパージガスを用いた
場合でも観測窓２にフレークが付着しない。

そこで本発明では、筒体４の先端部をノズル３および観
測窓２よりも前方に位置させることにより、装置内成膜
ガス流れ分布を乱さない少量のガスで観測窓２にフレー
クが付着しないようにした。

本発明の構成において、筒体４の内径ｄに対してノズル
−筒体先端部間の距離βを大きくすればするほど観測窓
へのフレークに付着防止効率が良くなる。

そこで、！２／ｄを種々変化させて上記実施例と同様な
構成でフレーク付着までの時間を調べた。

その結果は第５図に示すように、　！２／ｄが１以上で
は１０００分程程度あり、フレークが付着しに＜＜、飽
和曲線となる。Ｉ２／ｄが０．３では２０〜３０分程度
で程度フレーク付着状況は従来例と同程度である。Ｉ２
／　ｄ　＝　０．５では１００分以上であり、フレーク
付着状況は従来例より１０倍程度高い。したがって、Ｉ
２／ｄ≧１／２の場合、フレーク付着防止効果が従来例
に比べて十分に大きいことが分かる。なあ、Ｉ２／ｄの
上限はウェハの反りとウェハの支持台の傾きに起因する
反射光の光軸のずれが観測窓の視野内におさまるように
する必要性から３０倍以下が望ましい。

［実施例］ 第１の実施例 第１図（ａ）、（ｂ）は本発明のパージガス吹出しノズ
ルの第１の実施例を示す。第１図（ａ）において、ｌは
膜厚測定用のレーザ投光部（あるいは受光部）であり、
通常光ファイバーもしくは光学レンズ系で構成される。

その直前に観測窓２が設けられており、レーザ投光部ｌ
および観測窓２は固定用筒体に装置されている。観測窓
２の直前にノズル３が装着され、ノズルスリット１１か
らパージガスが観測窓２に直接吹き付けられる。パージ
ガスはレーザガス投光部と筒体４の隙間６を通ってノズ
ルスリット１１に送られる。

パージガスは観測窓２に直接当たるようにノズルスリッ
ト１１から観測窓２と平行もしくはパージガスが観測窓
２にあたるように後方斜めに向けて吹出される。

第２図は第１の実施例の別の実施例であり、レーザ投光
部（または受光部）ｌの冷却ガスの一部をパージガスと
して用いたものである。パージガスは隙間６より供給さ
れ隙間７より戻るが一部がスリット５よりノズルスリッ
ト１１に送られ観測窓２面に直接吹き付けられる。通常
、成膜装置は２００℃以上の高温に保持されているが、
レーザ投光部および受光部の耐熱は１００℃程度である
ので、冷却が必要である。同しガス流量によって観測窓
２面をパージした場合でも、ガス温度の高い方がガス流
速を早くでき、パージ効果がより大きい。従って、パー
ジガスを冷却ガスとしても使用し、この温度の高いガス
をパージガスとして使用すると、パージ効果がより大き
くなる。

第２の実施例 本発明の第２の実施例を第３図に示す。■はレーザ投光
部（あるいは受光部）で通常光ファイバーもしくは光学
レンズ系で構成される。その直前に観測窓２が設けられ
ており、レーザ投光部１および観測窓２は固定用保護筒
体４（内径ｄ）に装置される。パージガスはレーザ投光
部１と筒体４との隙間６を通って観測窓２の周辺のノズ
ルスリットｌｌから供給される。ノズル３は筒体４の先
端より２だけ内側に位置する。このため筒体４における
観測窓２の前方の圧力勾配はノズルから離れるに従い低
くなり、筒体４内の圧力は筒体４外の雰囲気より高圧と
なる。また筒体４内のガス流れは平行流となる。従って
、筒体４外の雰囲気の成膜ガスが筒体４内に入ることは
なく、観測窓２にフレークが付着することはない。

第４図は第２の実施例の別の実施例である。すなわちレ
ーザ投光部Ｉ　（受光部でもよＧ旬の冷却ガスの一部を
パージガスとしで用いている。バージカスは隙間６より
供給され、隙間７より戻るが、その一部がスリット５よ
りノズルスリット１１に送られる。通常、成膜装置は２
００℃程度以上の高温に保持されるが、レーザ投光部ｌ
の耐熱温度は１００℃程度である。このためガス等によ
る冷却が必要である。

前述したように、同しガス流量によって観測窓２をパー
ジする場合、ガス温度の高い方がガス流速を早くできて
効果が大きい。位って、パージガスを冷却ガスとしても
使用し、この加温されたガスをパージガスとして使用す
るとパージ効果が大きくなる。

第１図（ｂ）に示した本発明によるノズル３を第１図（
ａ）に示すように取り付け、第６図に示した成膜装置（
６枚ｌバッチ式常圧ＣＶＤ装置成膜温度：４３０℃）に
よって低温熱酸化膜（ＬＴＯ）を形成した。比較として
第１０図（ａ）、（ｂ）に示した従来のノズルの場合に
ついても同様の成膜を行った。この結果を５第８図及び
第９図に示す。

第８図はパージガス流量を変化させた場合、観測官にフ
レークが付着して測定誤差がインライン測定と実験後の
膜厚測定で±２０％以上となる迄に時間を求めた。従来
のノズルでは、数分〜数十分しか測定できないのに対し
て本発明装置では成膜のべ時間がｉ　ｏｏｏ分程度に増
加し、オンライン測定に十分に耐えるだけの寿命がある
ことが判った。なお、実験ではパージガスが反応ガスに
対して１０％程度以上になると、炉内ガス流れ分布に乱
れが生じ、膜厚ばらつきが増加した。本発明ではパージ
ガスが数％以内ではガス流れを乱すことなく膜厚を測定
できる。

低温熱酸化膜（ＬＴＯ）を５バツチ（２５枚）成膜した
場合の設定膜厚値に対する出来上がり膜厚を第９図に示
す。従来例ではバッチ間バラツキが±ｌＯ％程度あるの
に対し１本発明では２〜３％以内に抑えることができた
。また、成膜速度の経時変化により、従来例では膜厚が
５００ｎｍ以上で出来上がり膜厚が設定膜厚に対して低
めになるが、本発明では両者は−り定誤差以内で一致す
ることが判った。

なお、第２図に示した冷却ガスの一部をパージガスとし
て用いる構成の場合、フレーク付着時間が１０％程度改
善された。また、ノズルについて形状（円、角型）、開
孔比、ノズル位置等を変化させて同様に実施効果を調べ
たところ、パージガスが観測窓に直接当たるような構造
になっていれば、同様の効果が得られることが判った。

次に本発明の第２の実施例である第３図に示すノズルを
用いて前述と同様の膜厚測定を行ったところ、バッチ間
バラツキが２〜３％以内に抑えることができた。

また、第１の実施例と第２の実施例を組み合わせたもの
も、同等以上の効果が得られるものである。

第６図は本発明のパージガス吹出しノズルを備えた半導
体製造装置の一例の説明図を示す。

ＣＶＤ装置１２にレーザ投光装置８及びレーザ受光装置
９を取り付けている０本発明のノズルはレーザ投光装置
８の先端部に装着されている。

ＣＶＤ装置１２内のサセプター１３上に設置されたウェ
ハ１４にレーザ投光装置８よりレーザを投射し、その反
射光をレーザ受光装置９でとらえ、エリプソメトリ−法
により膜厚を求める。なお、反応ガスはガスノズル１０
より吹出し、排出口１５より排気される。

第７図は本発明のパージガス吹出しノズルを用いた第６
図とは別の半導体製造装置の説明図である。

製品ウェハには通常パターンが形成されており、場所に
よって膜厚が異なったり、あるいは別の膜が成膜される
。このため、製品ウェハを直接観測して膜厚を求めるこ
とは困難である。この場合バッチ式の成膜装置において
は１バツチ内に膜厚モニタウェハ１枚を入れ、このモニ
タウェハの膜厚を測定して製品ウェハの膜厚を制御する
。

ところが、成膜装置１２においてはウェハ面内およびウ
ェハ間での膜厚ばらつきを最小限に抑えるためにサセプ
タ１３を回転させており、さらにウェハ１４自身も自転
させる。従って、第６図の装置において、レーザ投光部
８及び受光部９によりモニタウェハの膜厚を検出する場
合、サセプタ１３が回転している内でモニタウェハがち
ょうど投光部８及び受光部９の中間位置にくる必要があ
る。この場合、膜厚は不連続にしか測定できず必ずしも
設定膜厚を検知できるとは限らない。

ｎ回転目では設定膜厚に至らず、ｎ＋１回転目で検出し
た時には設定値を超過する場合が生しる。

このような場合においても膜厚を設定膜厚に一致させる
ため、第７図では１〜ｎ回転までの測定膜厚の経時変化
よりｎ＝ｎ＋１回転の間の成膜速度を膜厚演算部１７に
おいて算出し、その成膜速度で成膜した場合の成膜終了
時刻を推定し、その時刻において、成膜を終了するよう
にガス制御器１８を制御する。この構成により、膜厚ば
らつきを第９図に示した膜厚ばらつきと同程度の２〜３
％以内に抑えることができ、精度の高い自動成膜制御が
可能となった。

なお、上記の本発明の実施例においては膜厚の観測につ
いてのみ述べたが、本発明は成膜中の膜温度、膜の組成
、および屈折率等の膜特性の制御についても適用できる
。

〔発明の効果〕

本発明は次のような優れた効果を奏する。

■膜厚をインラインで精度よくその場測定ができるよう
になり、膜厚制御の精度が大きく向上した。

■成膜の終点を自動で実施できるようになり、ラインの
自動化ができるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のパージガス吹出しノズルの第１の実施
例の説明図であり、第１図（ａ）は断面図、第１図（ｂ
）は斜視図、第１図（ｃ）はガス圧分布図、第２図は冷
却ガスの一部をパージガスに利用した本発明の第１の実
施例とは別の実施例、第３図は本発明のパージガス吹出
しノズルの第２の実施例、第４図は冷却ガスの一部をパ
ージガス利用した本発明の第２実施例とは別の実施例、
第５図は本発明の作用説明図、第６図は本発明のパージ
ガス吹出ノズルを用いた半導体製造装置の説明図であり
、第６図（ａ）は平面図、第６図（ｂ）は側断面図、第
７図は本発明の吹出しノズルを用いた他の半導体製造装
置の側断面図の説明図、第８図及び第９図は本発明の効
果を示す従来例との比較グラフ、第１Ｏ図は吹出しノズ
ルの実験例の説明図、第１１図は従来例の説明図である
。 ■・−レーザ投光部もしくは受光部、２・・・観測窓、
３・−・ノズル、４・・・筒体、５・・・スリット、６
．７・・・隙間、８・・・レーザ投光装置、９・・・レ
ーザ受光装置、１Ｏ１１，Ｏａ−・−成膜ガス導入部、
１１・・−ノズルスリット、１２．１２ａ−・−成膜装
置、１３−サセプタ、１４・−・ウェハ、１５・・−ガ
ス排出口、１７・・・成膜演算部、１８−・・ガス制御
器、Ｉ９・・−赤外線放射温度計、２０・−バージノズ
ル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　気相成長反応室内に気相成長反応ガスを導入する吹
   込ノズルとは別個に、該反応ガスが観測窓部に付着する
   のを防止するパージガス吹出しノズルを備えた半導体製
   造装置において、 該パージガス吹出しノズルは、円形観測窓 部を囲繞して配設した円環体にノズルスリットを周設す
   ると共に、該ノズルスリットの開口部を該観測窓部内面
   にかつ該観測窓部の中心に指向させたことを特徴とする
   半導体製造装置。 ２　該パージガス吹出しノズルを筒体の先端部から入込
   んだ位置に組込み、該筒体の先端部を該反応室の外壁に
   貫設した請求項１記載の半導体製造装置。 ３　該ノズルスリットの開口部を該観測窓部内面に替え
   て反応室内に指向させた請求項２記載の半導体製造装置
   。 ４　該筒体の先端部と、該観測窓部または該パージガス
   吹出しノズルとの距離を該筒体の内径の１／２〜３０倍
   とした請求項２または３記載の半導体製造装置。