JPH065682A - 半導体ウエーハの面内温度分布シミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、拡散炉内の全てのウエーハの面内温
度分布を短時間にかつ容易に推定するウエーハ面内温度
分布シミュレーション方法を提供する。 【構成】拡散炉内を仮想面で複数の閉空間に分割し、仮
想面での接続条件を用いながら各閉空間毎に輻射熱交換
を解析し、半導体ウエーハ（７）を保持したボートを炉
内に挿入してから処理を終えて半導体ウエーハ（７）を
拡散炉から出すまでのウエーハの面内温度分布の時間変
化を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウエーハ上に酸
化膜の薄膜を成長させたり、不純物を拡散させたりする
拡散炉において、半導体ウエーハの面内温度の履歴を推
定する半導体ウエーハ面内温度分布シミュレーション方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造プロセスの酸化および拡散工
程においては、拡散炉に挿入されるウエーハの面内温度
分布の履歴を把握し、この温度分布の履歴を拡散炉内の
温度制御に反映させることは、ウエーハの拡散炉内への
挿入または炉内からの引出しに際して顕著に現われるウ
エーハの面内温度差に基づいた熱応力を低減させるため
に、またウエーハ温度が支配的に影響する酸化膜厚の均
一性を向上させるために重要である。このため、従来よ
りウエーハの面内温度分布を把握することが行われてい
る。

【０００３】このウエーハの面内温度分布を把握する従
来の方法として、複数の熱電対をウエーハに張り付け、
これら熱電対から得られる温度信号に基づきウエーハの
内面温度を直接に測定する方法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の直
接測定方法では、ウエーハ上で測定できる測定点の数が
限られ、また測定に時間がかかる。更に、炉内の複数個
所の温度測定値に基づいて炉内温度を制御すると、余り
正確に温度制御ができないと言う問題がある。

【０００５】従って、この発明の目的は、炉内の全ての
ウエーハの面内温度分布を短時間にかつ容易に推定する
ウエーハ面内温度分布シミュレーション方法を提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明によると、拡散
炉内を仮想面で複数の丙空間に分割し、仮想面での接続
条件を用いながら各閉空間毎に輻射熱交換を解析し、ウ
エーハを保持したボートを炉内に挿入してから処理を終
えてウエーハを炉内から出すまでのウエーハの面内温度
分布の時間変化を推定することを特徴とする半導体ウエ
ーハ面内温度分布シミューレーション方法が提供され
る。

【０００７】

【作用】拡散炉内を複数の閉塞空間に分割し、各閉塞空
間の輻射熱交換を解析することによりウエーハの全面の
面内温度分布を短時間でかつ容易に推定することがで
き、この推定温度に基づきウエーハの面内温度が均一に
なるように炉内温度を制御できる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【０００９】図１は本発明の一実施例に係る拡散炉の概
略側断面図を示している。この拡散炉によると、円筒状
の断熱材外囲器１の内壁にヒータ２が取り付けられてい
る。炉内、即ち断熱材外囲器１には石英製の外側チュー
ブ３とこの外側チューブの内側に配設された石英製の内
側チューブ４とが設けられる。内側チューブ４内には、
石英製の内部治具５が上下動可能に設けられている。こ
の内部治具５に、図２に示されるように、４本のポール
６ａで成るボート６が取り付けられ、このボート６のポ
ール６ａに、直径１０ｍｍ以上、厚み２００〜４００μ
ｍの複数のウエーハ７が一定間隔離間して支持されてい
る。従って、内部治具５の上下動に応じてボート６が上
下動し、これによってウエーハ７が炉内から出し入れさ
れる。

【００１０】上記拡散炉の下部には処理ガスの導入口８
と排出口９とが設けられ、導入口８から供給された処理
ガスは内側チューブ４に導入され、内側チューブの上部
に設けられた開口を介して外側チューブ３と内側チュー
ブ４との間の隙間に導かれ、更に排出口９から排出され
る。このとき、拡散炉内がヒータ２により約１０００℃
にまで暖められていると、処理ガスは内側チューブ４内
においてウエーハ７に反応し、ウエーハ７上に酸化膜を
成長させたり、不純物をウエーハに拡散させたりする。
このような熱処理において、ウエーハの温度が酸化速度
や拡散速度に支配的に影響する。但し、通常使用される
炉内ガスは酸素、窒素、水素であり、これらは殆ど輻射
エネルギーを出さず、他からの輻射エネルギーに対して
透明とみなすことができる。上記のような構造の拡散炉
内におけるウエーハの内面温度分布を推定することにつ
いて以下に説明する。

【００１１】図３に示すように拡散炉内が仮想線で示さ
れる仮想面により複数の閉空間Ａ、Ｂ，ＣおよびＤに分
割されるものとする。このとき、閉空間Ａは隣合うウエ
ーハの上下面によって規定される円筒形の閉空間とな
り、複数のウエーハに対する複数の閉空間の各々に対し
て輻射熱交換が解析される。この場合、各閉空間の側面
が部分面の面内温度が一定になるまで、また、部分面よ
り放出する輻射エネルギーが部分面上に均一に分布する
まで、複数の部分面に分割、細分割される。ウエーハは
図４に示されるように複数の部分面Ａ１，Ａ２、Ａ３・
・・に細分割される。即ち、各閉空間が炉芯をｚ軸とし
た円筒座標系で周方向について等分割し、径方向につい
てはウエーハ面に相当する個所と相当しない個所をそれ
ぞれ等分割し、更に高さ方向についても等分割する。こ
のような細分割により得られる、閉空間Ａの部分面の各
々の輻射率、面積および温度を下記のように表わすもの
とする。但し、複数の部分面はｎ個の部分面からなるも
のとする。

【００１２】

【数１】

【００１３】単位面積当りの単位時間に表面から出て行
く全放射エネルギーおよび表面に入射する全輻射エネル
ギーは射度および外来照射量と呼ばれ、これらの関係は
次式（１）で示される。

【００１４】

【数２】 式（１）の右辺の第２項を移項すると、次式（２）が成
立する。

【００１５】

【数３】 面ｉが仮想面のときは次式（３）が成り立つ。

【００１６】

【数４】 以下同様にして、全ての閉空間の全ての部分面におい
て、物理面ならば式（２）の形、仮想面ならば、式
（５）の形の方程式を解いて射度を求める。物理面ｉで
の輻射による熱流束密度、即ちウエーハが吸収する輻射
熱ｑi は次式で表わされる。

【００１７】

【数５】 ウエーハの表面と炉内ガスとの間の対流熱伝達を無視
し、輻射熱だけを考慮して、ウエーハの熱伝達の方程式
（６）を解いてウエーハ面内温度分布を求める。

【００１８】

【数６】 但し、ｋ、ρおよびｃp はウエーハの熱伝導度、密度お
よび比熱をそれぞれ表わし、ｗはウエーハの厚み、Ｑは
吸収輻射熱を表わす。上述の式に基づいて求められたウ
エーハ面内温度分布の履歴の推定値に基づいてヒータ２
が制御される。次に、上記の原理に基づいてヒータ２を
制御する回路構成が図５に示されており、この図５を参
照してヒータ制御について説明する。

【００１９】まず、ＣＰＵ１１の制御により挿入引出装
置１２が作動されることにより内部治具５が降下され
る。下まで内部治具５が降下すれば、例えば、１６４枚
の直径６インチのウエーハが、例えば約５ｍｍ間隔で配
列されたボート６が内部治具５に登載される。この後、
挿入引出装置１２が内部治具５を駆動し、ボート６を例
えば２００ｍｍ／分の速度で上昇させる。これに伴って
ウエーハ７がボート６と共に炉内に挿入される。拡散炉
内へのウエーハの挿入が完了すると、拡散炉の蓋が閉じ
られ、例えば１時間安定に保たれる。このとき、ＣＰＵ
１１がヒータ制御装置１３を作動させることによりヒー
タ制御装置１３は拡散炉のヒータ２を加熱させ、炉温
を、例えば８００℃に保持する。１時間経過後、蓋が開
けられ、例えば１００ｍｍ／分の速度でボート６が下降
される。

【００２０】上記の熱処理において、拡散炉内に設けら
れた内側チューブ４に接続された温度測定装置１４は内
側チューブ４の温度を測定し、測定データをＣＰＵ１１
に送る。ＣＰＵ１１は温度データおよび挿入引出装置１
２の位置情報に基づいて各ウエーハの面内温度分布を上
述した式に基づき推定する。即ち、ボート６が動いてい
るときには、まず、第１のステップで、一定時間毎に形
態係数を計算する。第２のステップで、与えられた炉壁
とウエーハの温度分布に対して射度の方程式（２）及び
（５）を解いて射度を求める。この場合、ＳＯＲ法を用
いる。第３のステップで、全てのウエーハについて熱伝
導の式（６）を解いて温度分布を求める。この場合、熱
伝導の式を完全に陰的な差分方程式に直し、ＳＯＲ法を
用いる。

【００２１】尚、上記温度分布推定処理において、ウエ
ーハを登載したボート６が移動しているときには、第１
のステップに戻り、そうでない場合には、第２のステッ
プに戻り、希望の時刻の解答が得られるまで、上記ステ
ップが繰り返される。

【００２２】上記のような温度分布推定処理、即ちウエ
ーハ面内温度分布シミュレーションにより得られた温度
分布情報がＣＰＵ１１よりヒータ制御装置１３に入力さ
れると、このヒータ制御装置１３は温度分布情報に応じ
てヒータ２の複数のヒータ素子への給電を選択的に制御
する。

【００２３】

【発明の効果】上述した本発明によると、拡散炉内を複
数の閉空間に分割し、更に隣接ウエーハ間の閉空間を複
数の部分空間に分割し、各部分空間毎に輻射熱交換を解
析してウエーハの面内温度を推定するので、炉壁の温度
からウエーハ熱履歴を短時間で推定でき、プロセス・パ
ターン、炉寸法、ウエーハの枚数や大きさ、ウエーハ・
ギャップ長などを変えてもウエーハ面内温度分布の時間
変化をかなり正確に推定できる。従って、この推定温度
分布に基づいて炉内温度を正確かつ微細に制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明一実施例に係る半導体ウエーハの面内温
度分布シミュレーション方法が適用される拡散炉の概略
側断面図。

【図２】図１の拡散炉内に設けられ、ウエーハを保持し
たボートの上面図。

【図３】拡散炉内における閉空間を示す図。

【図４】拡散炉の上面から見たときの部分面を示す図。

【図５】本発明一実施例に係る半導体ウエーハの面内温
度分布シミュレーション方法を実施する装置の概略構成
図。

【符号の説明】

１…断熱材外囲器、２…ヒータ、３…外側チューブ、４
…内側チューブ、６…ボート、７…ウエーハ、１１…Ｃ
ＰＵ，１２…挿入引出装置、１３…ヒータ制御装置、１
４…温度測定装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 拡散炉内を仮想面で複数の閉空間に分割
   し、仮想面での接続条件を用いながら各閉空間毎に輻射
   熱交換を解析し、半導体ウエーハを保持したボートを炉
   内に挿入してから処理を終えて半導体ウエーハを拡散炉
   から出すまでのウエーハの面内温度分布の時間変化を推
   定することを特徴とする半導体ウエーハ面内温度分布シ
   ミューレーション方法。