JPS62101037A - 酸化・拡散装置内ウエハ温度制御システム - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、酸化・拡散装置内ウェハ温度制御方式に関し
、特に半導体プロセスの熱処理工程において、酸化・拡
散装置内へのウェハ列挿入・引出し時に発生する酸化膜
厚バラツキや熱応力による結晶欠陥を低減化するのに好
適な酸化・拡酸装置内ウェハ温度制御方式に関するもの
である。

〔発明の背量〕

従来、半導体製造プロセスの熱処理工程において、酸化
・拡散装置による酸化・拡散処理が行われている。この
酸化・拡散処理は、ウェハ列をボー１へに乗せその酸化
・拡散ｖ１１の反応管内に挿入して、挿入されたウェハ
列をボートローダにより移動させ、その後、引き出しを
行うことによって処理が終了する。ボートローダによる
ウェハ列移動の間に、反応管の外側壁に設けられたヒー
タコイルのオン・オフ＠御により熱処理が行われる、こ
のような酸化・拡散処理において、酸化・拡散装置への
ウェハ列の挿入または引出しの際にうける温度変化が、
ウェハ内で不均一となり、応力を生じ結晶欠陥が生じる
。それがさらに著しくなると、ついには塑性変形を起こ
す。したがって、温度変化を少なくするために、ウェハ
面の温度制御をする必要がある。この温度制御は、実際
のウェハ製造プロセスによって得られた経験則的なデー
タに基づいてウェハ列挿入・引出し時の速度パターン（
ウェハ移動速度パターン）、および反応管壁プロファイ
ルにより決めたヒータコイルのオン／オフ時間により行
っており、ウェハ列挿入・引出し時の速度パターン、お
よび、反応管壁温度プロファイルの動的な制御はほとん
ど行なわれていなかった。さらに、近年のウェハ大口径
化（６イン１チ〜８インチ）に伴ない、ウェハ列挿入・
引出し時に過渡的に発生するウェハ面内温度差はさらに
顕著となることが予想され、酸化膜厚バラツキ。

および熱応力による結晶欠陥の増加を引き起こし、半導
体製品の歩留りを低下させるという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、このような従来の問題を解消し、半導
体製造プロセスの酸化・拡散装置による熱処理工程にお
いて、ウェハ列挿入・引出し時に過渡的に発生するウェ
ハ面内温度差に起因する酸化膜厚バラツキ、および熱応
力による結晶欠陥の低減化が図れる酸化・拡散装置内ウ
ェハ温度制御方式を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために１本発明の酸化・拡散装置内
ウェハ温度制御方式は、ウェハの酸化・拡散の半導体製
造プロセスパラメータを計算機で総合的に制御して酸化
・拡散装置内のウェハ温度を制御するウェハ温度制御装
置において、上記酸化・拡散装置へのウェハ列挿入・引
出し時に発生する過渡的なウェハ面内温度差を目標値に
制御する管壁温度プロファイルおよびウェハ移動速度パ
ターンの最適組合せを時系列的に決定する手段を設けた
ことに特徴がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を１図面により詳細に説明する
。

まず、本発明の詳細な説明をする・ 酸化・拡散装置内へのウェハ列挿入・引出し時に過渡的
に発生するウェハ面内温度分布の過渡特性は、反応管壁
温度プロファイル、およびウェハ列移動速度の違いによ
り大きく変化する。しかし、反応管内のウェハ温度を直
接計測することは、シリコンウェハ表面の汚染等の問題
により現状不可能であり、ウェハ温度計測データにより
オンラインで管壁温度プロファイル、およびウェハ移動
速度を制御し、望ましいウェハ温度過渡特性を実現させ
ることは困難であった。この解決策として。

予め、要求されるウェハ面内最大温度差の上限値を満た
すようなウェハ温度過渡特性を実現する管壁温度プロフ
ァイル、およびウェハ移動速度パターンの最適組合せを
１反応管内熱現象を記述した物理モデル（ウェハ温度制
御モデル）によりシミュレーションをして決定し、この
制御履歴を実際の装置上で再現することにより効果的な
ウェハ面の温度制御ができるようになる。

第１図は、本発明の一実施例を示す酸化・拡散システム
の全体構成図である。

第１図において、１はウェハ列の酸化・拡散処理を行う
酸化・拡散装置、２は酸化・拡散装に１の運転条件決定
部、３はウェハ面内熱応力、酸化膜厚バラツキ算出モデ
ルから構成される評価部。

４は管壁温度、ボート挿入・引出し速度を設定するため
のｐ　Ｉ［）　（Ｐｒｏｐｏｒ七１ｏｎａｌ　Ｉｎｔｅ
ｇｒａｌ　ａｎｄＤ　ｅｒｉｖａｔｉｖｅ）コントロー
ラである。

このような構成の酸化・拡散システムにおいて、運転条
件決定部２は、まず、評価部３内の熱応力モデル、′６
ｉ化膜厚算出モデルから応力分布、および酸化膜がバラ
ツキ値３１を取出し、シミュレーションを行って、運転
条件を決定してボート移動パターンおよび管壁温度プロ
ファイルを与えるしきい恒温度の時系列データ２２をＰ
ＩＤコントローラ４に設定する。次に、ＰＩＤコントロ
ーラ４はは、酸化・拡散装置１の反応管の管壁温度およ
び移動速度パターンデータ４４により装置内のウェハ温
度を制御し、反応管温度計測データ１１を取り込んで時
系列的な制御を行うことができる。

第２図は、第１図の酸化・拡散装置２１１の内部構成図
である。

第２図において、１１０は反応管、１２０はウェハ列挿
入・りｊき出しに使用されるボートローダ・１３０は熱
処理されるウェハ列、１４０はウェハ列１３０を乗せて
反応管１１０中を移動するボート、１５０，１５１，１
５２は反応管１１０の管壁を熱するヒーターコイル、１
６０，１６１，１６２は管壁温度を計測する反応管１１
０中の代表点である。

第３図は、本実施例による運転条件決定部２の内部構成
図である。

第３図において、２１０はウェハ温度制御モデルのシミ
ュレーション条件を決定するシミュレーション条件決定
部、２２０は本発明の主要部をなすウェハ温度制御モデ
ル計算部、２３０はボート移動、停止、および管壁温度
のしきい値Ｔｔｈｕの時系列データ２２１が格納される
ウェハ温度制御履歴ファイル、２４０はウェハ温度計算
結果２２２が洛、納されるウェハ温度履歴ファイル、２
５０は酸化ｖｊ、厚バラシキ値３１と要求される酸化膜
厚均一精度との比較を行う比較部である。

第４図は、第３図のウェハ温度制御モデル計算部２２０
の内部機能フローチャートである。

以下、第１図〜第４図を参照しながら本実施例によるウ
ェハ温度制御方式を説明する。

まず、第２図に示す酸化・拡散袋［１において、反応管
１１０へのウェハ列１３０の挿入時、過渡的に発生する
ウェハ面内温度分布、特に、ウェハ面内最大温度差ΔＴ
ｍａｘを制御する３ゾ一ン方式の管壁温度プロファイル
とボート移動速度パターンの最適組み合せ条件を運転条
件決定部２により決定する。

ここで、以下、運転条件決定部２による運転条件決定方
式を説明する（第３図参照）。まず、シミュレーション
条件設定部２１０によりウェハ径、ウェハ間隔、ボート
移動速度等のプロセスパラメータ。

および要求されるウェハ面内最大温度差ΔＴ＋ｎａｘｔ
。

ｈが設定される。次に、設定されたデータ２１１がウェ
ハ温度制御モデル計算部２２０に与えられる。この制御
モデル計算部２２０では、第４１！ｌＩに示すように、
後述するウェハ温度２反路管壁温度を与える物理モデル
による各時間ステップ毎のウェハ面内最大温度差ΔＴｍ
ａｘが更新され、この値とΔＴ　ｍａｘｔ＝ｈとの比較
により、以下の制御方策が決定される。

（ａ）ΔＴｍａｘ≧ΔＴｌ１ａｘｔｈの時温度差を緩和
するために、ボート（１４０）移動を停止させる。

（ｂ）ΔＴｍａｘ＜ΔＴｍａｘｔｈの時（ｔ　）ホｈ（
１４０）移動が停止状態にあれば、ボート（１４０）移
動を再開する。

（１１）ボート（１４０）移動中であれば、３ゾ一ン方
式の管壁入口側のしきい値温度を八Ｔだけ増加させ、管
壁温度プロファイルを定常状態の場合のプロファイルに
近づける。

上記（ａ）、（ｂ）の処理をウェハ移動終了まで繰返し
、ボート移動、停止、および管壁温度のしきい値Ｔｔｈ
ｕの時系列データ２２１が逐次、ウェハ温度制御履歴フ
ァイル２３０へ、また、ウェハ温度計算結果２２２がウ
ェハ温度履歴ファイル２４０へ保存される。このウェハ
温度過渡特性結果を基に、第１図に示した熱応力モデル
、酸化膜厚算出モデルからなる評価部３により、本ウェ
ハ温度制御結果の場合のウェハ面内熱応力分布、および
、酸化膜厚バラツキが計算される。この熱応力分布、お
よび酸化膜厚バラツキ値３１は、ウェハの降伏応力、お
よび本処理工程で要求される酸化膜厚均一精度と比較部
２５０により比較され、妥当であれば、この時のウェハ
温度過渡特性を実際の装置上で再現させるために、先の
ウェハ温度制御Ｈ歴ファイル２３０に格納されたボート
移動パターン。

および管壁温度のしきい値の時系列データ２２がＰＩＤ
コントローラ４に設定される。

一方、比較部２５０での評価結果が妥当でない場合には
、要求されるウェハ面内最大温度差ΔＴｍａｘシｈを更
新し、再度、上記ウェハ温度制御モデルによるシミュレ
ーションを行う。

なお、評価部３を構成する熱応力モデル、酸化膜厚算出
モデルについては、ウェハ面内力のある場合の平板の微
小たわみ問題として、ウニへ面内２次元温度分布を有す
るシリコンウェハの平面応力状態を決定する応力算出モ
デル、およびＤｅａｌ−Ｇｒｏｖ６の酸化膜厚算出式等
を利用すればよい。

さて、ウェハ温度制御モデル計算部２２０の中核となる
ウェハ温度２反路管壁温度を与える物理モデルについて
、その−例を以下に示す。

対象とする酸化・拡散装置においては、シリコンあるい
は石英からなるボート１４０上に並べられたウェハ１３
０が、１０００℃付近の高温に加熱された３ゾ一ン加熱
方式の反応管内へ挿入され、所定の熱処理を受けた後、
反応管１１０の外へ引出される。したがって、この現象
は、反応管１１０内のガスの影響を無視すれば、輻射を
主体とするウェハ、ボート、および反応管壁に対する熱
収支方程式により記述できる。今、ウェハ厚、ボート厚
はその平面方向の大きさに比べ十分水さいとし、厚さ方
向の温度分布はないものとし、さらに。

円筒状の反応管断面の温度分布は軸対象であることを仮
定すれば、次の連立偏微分方程式系が導出できる。

ウェハ； １ｗｃｗｅｗ？Ｔｗ！（ｒｙ　ｔ）／□ｔ＝　　２＋Ｓ
Ｓ＞ｔ、ｂ　ｃｔ　ａ　ｗＴ　ｂ’　（７’　、　ｔ）
ΣＢｎｈ島０ （ア、７′）ｄＳｂ ＋ｔｗｖ−（Ｋｗ（Ｔｗｒ）ＶＴ　ｗ　ｒ　（ｒ　＋１
））　　　　　　　　　・・・・・（１）ボート； ｌ　ｂ　ｃ　ｂ　ｓ　ｂａＴｂ（Ｆ’、　　ｔ）／　’
９ｔ＝−２Ｅｌ）σＴｂ　　（ｒｅ　　ｔ） ＋ｔｂｖ”　　（Ｋｂ（Ｔｂ）Ｔｂ（ｒａｔ））・　・
　・　・　・　・　・　・　・（２）反応管； ｃ　ｆ　ａ　ｆｃ’３　Ｔｆ（ｒ、　ｔ）／ｃ’＞ｔ　
＝Ｖ・ＩＫｆ’（Ｔ　ｆ　）ＶＴ　ｆ　（７，ｔ　））
　＋　ｑ　　　　（３）反応管壁土の境界条件； ＫｆＶＴｆ（ｒ　Ｏｙ　ｔ）＝　　Ｅ　ｆ　ａＴｆ’ｔ
　）Ｅ　Ｐ　ｎ　ｊ　（Ｆ＝（１，ｒ　）ｄ　Ｓ　ｗ１
１１Ｏ ΣＱｎ（ｒ　Ｏｐ　Ｔｊ３　’　）ｄ　Ｓ　ｆ・・・・
・（４） ここで、Ｔｗ　Ｉ（ｒ−、ｔＬ　’ｒｂ（’７．ｔ）ｔ
　Ｔｆ（７，ｔ）、Ｔ　ｆ　（Ｔ１．　ｔ　）は、それ
ぞれ、第１番目のウェハ温度、ボート温度２反路管温度
、および反応管壁表面上温度を示す。Ｇ　ｎ　ｊ　（７
，７’　）、Ｆｎ（ア＊　ｒ　ｏ）、　Ｂ　ｎ　（７＠
　？’　）　ｍ　Ｈｎ　（７ｇ　７０′）、Ｗｎ　ｊ　
（？、　？’　）、　Ｐ　ｎ　Ｊ　（ｒ’０．　？”　
）、Ｑｎσ１ｔ　「１’　）はそれぞれ、ウェハ間、管
壁からウェハ、ボートからウェハ、管壁からボート、ウ
ェハからボート、ウェハから管壁２および管壁間に対す
る形態係数を示す。また、１Ｗｙｌｂはウェハ、ボート
の長さ−（ｃ　ｗ　ｙ　ｃ　ｂ　、　ｃ　ｆＬ（＠Ｗｔ
　”ｂ　ｔ　ｅｆＬ　ＣＥＷｖ　Ｅｂ　ｔ　　ｔ　ｆＬ
　（ａＷｙ　ａｂ　ｒ　ａ　ｆＬ　（Ｋｗ＋　Ｋｂ　ｅ
　Ｋ　ｆ）はそれぞれ、ウェハ、ボート、反応管の比熱
、密度、輻射率、吸収率、熱伝導率である。σはステプ
アン・ボルツマン定数、ｃｔｓｗ、ｄｓｂ、ｄＳｆはそ
れぞれ、ウェハ、ボート、管壁における面積要素。

Σのｎは輻射の反射回数、は微分演算子を示す。

（３）式右辺第２項に示すｑは反応管加熱量であり。

第２図に示すような３ゾ一ン方式の反応管加熱方式にお
いては、反応管１１０の左部、中央部、右部がそれぞれ
独立にヒータコイル１５０，１５１゜１５２により加熱
でき、各部の代表点１６０，１６１．１６２の設定温度
（しきい値温度）Ｔｔ、ｈｌ。

Ｔ　ｔ、ｈｃ　、　Ｔ　ｔｈｒと計謂温度との比較によ
り、各部独立にヒータ電流の０Ｎ１０ＦＦ制御を行なう
ことにより、希望する反応管壁温度プロファイルを実現
させている。したがって、上記（３）式で与えられる反
応管温度決定モデルにおいても、計算された反応管代表
温度としきい恒温度との比較により、加熱量ｑの０Ｎ１
０ＦＦ制御を行なっている。

以上のウェハ温度制御モデルによるシミュレーション解
析例を管壁温度プロファイルを一定とし、ウェハ挿入速
度を低速にした場合（Ａ方式）と管壁温度プロファイル
を全体的に低くしておき、高速にウェハ列を移動させた
後、方式Ａの場合の管壁温度プロファイルまで昇温させ
た場合（Ｂ方式）につき、そのウェハ温度過度特性結果
を第５図に示す、また、第６図には、各方式における管
壁温度プロファイルと３ゾ一ン加熱方式における反応管
左部、中央、右部のしきい恒温度Ｔｔｈｌ、　Ｔｔｈｃ
。

Ｔ七ｈｒをそれぞれ示した。

このように、本実施例においては、酸化膜厚バラツキ、
および熱応力による結晶欠陥の要因となる酸化・拡散装
置へのウェハ列挿入・引出し時に過渡的に発生するウェ
ハ面内温度差を目標値に制御しうる管壁温度プロファイ
ル、およびボート移動パターンの最適組合せを実際の装
置上で実現できるので、酸化膜厚バラツキ、および結晶
欠陥を低減できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、半導体プロセス
酸化・拡散装置による熱処理工程において、ウェハ挿入
・引出し時に発生するウェハ面内温度差に起因する酸化
膜厚バラツキ、および熱応力による結晶欠陥の低減化が
図れ、製造される半導体素子の歩留りを向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す酸化・拡散システム構
成図、第２図は第１図の酸化・拡散装置の内部構成図、
第３図は第１図の運転条件決定部の内部構成図、第４図
は第３図のウェハ温度制御モデル計算部の内部機能フロ
ーチャート、第５図は本実施例によるウェハ温度過渡特
性結果を示す図、第６図は本実施例による反応管壁温度
プロファイルを示す図である。 に酸化・拡散装置、２：運転条件決定部、３：熱応力モ
デル、酸化膜厚算出モデルから構成される評価部、４　
：　ＰＩＤコントローラ、１１：反応管温度計測データ
、２２：ウェハ温度制御モデルにより決定されたボート
移動パターン、および管壁温度プロファイルを与えるし
きい恒温度の時系列データ、２１：ウェハ温度過渡特性
のモデル計算結果。 第　　　　１　　　　図 第　　　４　　　図 ウェーハ温度（°Ｃ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ウェハの酸化・拡散の半導体製造プロセスパラメ
   ータを計算機で総合的に制御して酸化・拡散装置内のウ
   ェハ温度を制御するウェハ温度制御方式において、上記
   酸化・拡散装置へのウェハ列挿入・引出し時に発生する
   過渡的なウェハ面内温度差を目標値に制御する管壁温度
   プロファイルおよびウェハ移動速度パターンの最適組合
   せを時系列的に決定する手段を設けたことを特徴とする
   酸化・拡散装置内ウェハ温度制御方式。
2. （２）上記最適組合せを時系列に決定する手段は、ウェ
   ハ面温度の上限値を設定したウェハ温度制御モデルを有
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の酸化
   ・拡散装置内ウェハ温度制御方式。