WO2003034474A1 - Appareil de fabrication d'un semi-conducteur et procede de fabrication d'un dispositif semi-conducteur - Google Patents

Description

明 細 書

半導体製造装置と半導体装置の製造方法 技術分野

本発明は、 半導体製造技術に係わる。 特に、 酸化， 拡散，

C V Dな どの複数プロセス を同一チャ ンバ内で行 う 半導体製 造装置と 、 この装置を用いた半導体装置の製造方法に関する 背景技術

近年、 半導体製造装置においては、 ゥ ハ処理時間の短縮 化を狙って、 同一チャ ンバ内での複数プロセス を連続で行 う 技術が開発 されている。 こ の よ う な装置では、 同一チャ ンバ 内での複数プロ セス に対 して、 膜厚及び不純物の拡散な どに 関 しての精密な制御が要求されている。

図 7 は、 従来技術に基づ く 酸化膜及び S i N膜の成膜プロ セスの連続処理フ ロ ーを示す図である。 まず、 技術的な経験 に基づいて、 酸化膜形成温度， 酸化ガス流量， 酸化時間， S i N堆積温度， S i N堆積時間， S i N成膜時のガス圧力， S i N成膜ガス流量な どを、 所望の膜厚がそれぞれ得 られる よ う に半導体製造装置 （この場合は酸化/ C V D炉） の制御 用 コ ンピュータ に何らかの手段で入力する。 次いで、 何らか の手段でス ター ト信号を入力する こ と で処理を開始する。

装置への ウ ェハの搬入， 昇温， 温度保持， ガス導入， ガス の切 り 替え， 降温， ウ ェハの搬出な どの処理が、 設定された シークェンスに従って行われる。 この間に、 炉内温度やガス 流量をでき るだけ忠実に設定値に保ち、 酸化時間及び堆積時 間を制御する こ とで所望の膜厚を得ていた。

しかし、 上記のシーケ ンスでは、 装置内の制御不可能な外 乱要因に よ る膜厚ば らつきや不純物 ドーズ量のば らつき 、 更 には装置外の制御不可能な外乱要因に よ る膜厚ばらつきゃ不 純物 ドーズ量のばらつき な どは、 全く 考慮されていない。 こ こで、 装置内の制御不可能な外乱要因 と しては、 例えば前の バ ッ チの処理温度の影響に よ る昇温時の微妙な温度変化や、 微妙な電圧変動によ る ガス流量の微細な変化な どが挙げられ る。 装置外の制御不可能な外乱要因 と しては、 例えば大気圧 が挙げられる。

従って、 素子の微細化が進み、 これ らの外乱要因が無視 し 得ない状況になってき ている今 日 では、 従来の成膜技術では、 十分な素子性能， 回路特性が得られな く なってき ている。 こ のため、 これら の外乱要因を考慮 した半導体製造装置の制御 方法が求め られている。 ま た、 プ ロ セ ス後に行われている膜 厚測定が連続プロ セ スでは最初の成膜では行われないため、 よ り 精密な成膜制御が求め られる。

上記外乱要因が膜厚や不純物の拡散に及ぼす影響を考慮す る ためには、 酸化や堆積， 不純物拡散に関する計算或いはシ ミ ュ レー シ ヨ ンを行 う 必要がある。 例えば、 特開平 1 1 — 2 8 8 8 5 6 号公報ゃ特開平 8 — 5 5 1 4 5 号公報には、 実際 の製造データ と シ ミ ユ レーシ ョ ンデータ を比較する考えが示 されている。 しカゝ し、 これ らの公報は、 比較の 目 的がシ ミ ュ レーショ ンの高精度化、 或いは実際の製造データ と の合わせ 込みにある ため、 製造条件や製造パラ メ ータ の変更な ど製造 の制御 と レ、 う 視点か らの提案と は異なる。 また、 上記内乱や 外乱を想定 した計算も行っ てお らず、 1 回毎の製造バラ ツキ を考慮する に至っていない。

このよ う に従来、 同一チャ ンバ內で半導体装置の製造に関 する複数の処理を連続 して行 う 半導体製造装置においては、 装置内の制御不可能な外乱要因に よ る膜厚及び不純物 ドーズ 量のばらつきや、 大気圧な どの装置外の制御不可能な外乱要 因に よ る膜厚及び不純物 ドーズ量のばらつき な どが生 じる。 こ のた め、 十分な素子性能， 回路特性が得 られな く なつて き ている。 発明の開示

本発明の 目 的は、 装置内の制御不可能な外乱要因に よ る膜 厚や不純物 ドーズ量のばらつき 、 大気圧な どの装置外の制御 不可能な外乱要因に よ る膜厚や不純物 ドーズ量のばらつき な どを抑制する こ と ができ、 十分な素子性能， 回路特性が得ら れる 半導体製造装置及び半導体装置の製造方法を提供する こ と にある。

上記課題を解決するために本発明は、 次の よ う な構成を採 用 してレヽる。

即ち本発明は、 同一チャ ンバ内で半導体装置の製造に関す る複数の処理を連続 して行 う 処理装置本体と 、 こ の処理装置 本体における処理の種類を選択する と 共に、 該処理装置本体 に処理を開始する ためのス ター ト信号及び処理を停止するた めのス ト ッ プ信号を与える装置コ ン ト ローラ部 と を備えた半 導体製造装置であって、 前記処理装置本体の装置内部情報を 外部に出力する ための第 1 の端子と 、 前記装置コ ン ト ロ ーラ 部か らのス ター ト信号を外部に出力するための第 2 の端子と 第 2 の端子から のス タ ー ト信号を受けて前記装置内部情報を 基に現在の処理に対する プ ロ セ ス状態を計算 して得られた結 果に基づ く ス ト ップ信号を前記装置コ ン ト ロ ーラ部に入力す る ための第 3 の端子 と を設けてな り 、 第 3 の端子からのス ト ッ プ信号の入力によ り 前記装置コ ン ト ローラ部に よ り 前記処 理装置本体にス ト ッ プ信号を送出 し、 前記処理装置本体によ る現在の処理を停止 して次の処理に移行させる こ と を特徴と する。

また本発明は、 同一チヤ ンバ内で半導体装置の製造に関す る複数の処理を連続 して行 う 処理装置本体 と 、 こ の処理装置 本体における処理の種類を選択する と 共に、 該処理装置本体 に処理を開始するためのス ター ト信号及び処理を停止するた めのス ト ッ プ信号を与える装置コ ン ト ロ ーラ部と 、 前記処理 装置本体の装置内部情報を基に複数の処理に対するプロ セ ス 状態を計算する機能を有 し、 前記装置コ ン ト ロ ー ラ部か らス タ ー ト信号が送出 されたタ イ ミ ングで現在の処理に対するプ ロ セ ス状態の計算を開始 し、 プロ セス状態が規定の状態に達 した時点で前記装置コ ン ト ローラ部にス ト ップ信号を送出す る プロセス制御コ ン ト ロ ーラ部 と を備えた半導体製造装置で あって、 前記装置コ ン ト ロ ーラ部は、 前記プロセス制御 コ ン ト ロ ーラ部からス ト ッ プ信号が入力 さ れる と 前記処理装置本 体にス ト ッ プ信号を送出 し、 該処理装置本体に よ る現在の処 理を停止 して次の処理に移行させる も のである こ と を特徴と する。

ま た本発明は、 同一チ ャ ンバ内で半導体装置の製造に関す る複数の処理を連続 して行 う 処理装置本体 と 、 こ の処理装置 本体におけ る処理の種類を選択する と 共に、 処理の開始及び 停止を制御する装置コ ン ト ロ ーラ部と 、 前記処理装置本体の 装置内部情報を基に複数の処理に対する プロ セス状態を計算 する機能を有するプロセス制御コ ン ト ローラ部と を備えた半 導体製造装置を用い、 被処理基板に対 して所定の処理を施す 半導体装置の製造方法であって、 前記処理装置本体に被処理 基板をセ ッ ト した状態で、 前記装置コ ン ト ロ ーラ部に よ り 所 定の処理を開始させる と 共に、 前記プロセス制御コ ン ト ロ ー ラ部によ り 現在の処理に対する プロ セ ス状態の計算を開始 し こ の計算結果でプロ セ ス状態が規定の状態に達したと判定さ れた ら、 前記装置コ ン ト ロ ーラ部によ り 現在の処理を停止 さ せて、 次の処理に移行させる こ と を特徴とする。 図面の簡単な説明

図 1 は、 第 1 の実施形態に係わる半導体製造装置の基本構 成を示すプロ ック図。

図 2 は、 図 1 の半導体製造装置に用いた装置コ ン ト ロ ーラ 部の構成を示す図。

図 3 は、 第 1 の実施形態におけ るプロセス制御動作を示す フ ロ ーチヤ一ト。 図 4 A， B は、 第 1 の実施形態における半導体製造工程を 示す断面図。

図 5 は、 第 2 の実施形態におけるプロセス制御動作を示す フ ロ ーチヤ一 ト。

図 6 A , Bは、 第 2 の実施形態における半導体製造工程を 示す断面図。

図 7 は、 従来の （酸化 + S i N ) 連続成膜プロセスを示す 概念図。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

(第 1 の実施形態）

図 1 は、 本発明の第 1 の実施形態に係わる半導体製造装置 の基本構成を示す図である。 なお、 本実施形態の半導体製造 装置は、 バ ッチ式装置と枚葉式装置の何れにも適用可能であ る。

図中の 1 0 は、 複数の処理を連続して行 う ためのチャ ンバ で、 例えば酸化 Z拡散 Z C V D炉 （以下、 マルチプロセス装 置と称する） である。 2 0 は、 マルチプロ セ ス装置 1 0 を制 御するための装置内コ ン ト ローラ （装置コ ン ト ローラ部） で ある。 3 0 は、 膜厚計算機能， ドーピング量計算機能， 計算 膜厚判定機能， 計算 ドー ピ ング量判定機能な どを有するプロ セス制御コ ン ト ローラ部である。

装置内コ ン ト ローラ 2 0 は、 図 2 に示すよ う に、 プ ロ セ ス 時間監視機能やプロ セ スデー タ の格納機能な どを有する外部 出力信号発生装置 2 1 を備えている。 そ して、 こ の外部出力 信号発生装置 2 1 は、 プロセス制御コ ン ト ロ ーラ部 3 0 から の計算結果及びス ト ップ信号が入力 される と 、 マルチプロセ ス装置 1 0 にス ト ッ プ信号を送出する も の と なっ ている。 さ ら に、 外部出力信号発生装置 2 1 は、 ユーザーに よ るプロセ ス ス ター ト信号が入力 される と 、 又はス ト ッ プ信号を出力 し てか ら一定時間後に、 マルチプロ セス装置 1 0 にスター ト信 号を送出する もの と なっている。

本実施形態では、 プロセス制御コ ン ト ロ ーラ部 3 0 は、 そ の機能を解説する 目 的のために別の装置 と して説明する が、 装置内 コ ン ト ロ ーラ 2 0 中に組み込まれた ものであって も よ い。 また、 図中の 4 1 は装置内部情報を外部に送出する ため の第 1 の端子、 4 2 はス ター ト信号を外部に送出する ための 第 2 の端子、 4 3 は外部からのス ト ップ信号を入力する ため の第 3 の端子を示 している。

マルチプ ロ セ ス装置 1 0 は、 装置内 コ ン ト ロ ー ラ 2 0 の制 御に よ り 動作する。 予め決め られたプロ セ ス処理シーク ェ ン ス 内 のあ る タ イ ミ ングで、 マルチプロ セス装置 1 0 内 の コ ン ト ロ ー ラ 2 0 力 ら 、 マルチプロ セ ス装置 1 0 及びプロ セ ス制 御コ ン ト ロ ーラ部 3 0 にス タ ー ト信号が送 られる。 こ のス タ 一 ト信号を受け取っ た時点でプロ セス制御コ ン ト ローラ部 3 0 は、 堆積膜厚計算 Z酸化膜厚計算 Z ドー ピング量計算の内 のいずれを計算すればよ いのかを、 装置内部のプ ロ セ ス ガス 等の情報に よ り 判断する。 そ して、 実際に酸化膜厚計算， 堆 積膜厚計算又は ドーピング量計算のいずれかス タ ー トする。 こ こ ま でを も う 少 し詳細に記述する と 、 設定さ れたシーク エ ンス に従った装置内 コ ン ト ロ ーラ 2 0 の制御に よ り 、 マル チプロ セ ス装置 1 0 へのウェハの搬入， 昇温， 温度保持を行 う。 次に、 装置内 コ ン ト ロ ーラ 2 0 はプロ セ ス ガス の導入を マルチプロ セス装置 1 0 に指示する と 同時に、 プロセス制御 コ ン ト ロ ーラ部 3 0 にス ター ト信号を送る。 この場合は、 プ ロ セ ス ガス の導入時を ス タ ー ト の タ イ ミ ング と したが、 マ ル チプロセス装置 1 0 へのウェハの搬入後、 昇温前、 ウェハ炉 内温度がある一定の温度に達 した時点な ど、 予め決めておけ ば、 目 的に応 じて変更する こ と は可能である。

本実施形態では、 酸化膜厚の計算を第一番 目 に行 う こ と と する。 計算には、 装置内部の情報が用い られる。 装置内情報 と しては、 炉内外の各種熱電対か らの温度情報、 流量計から のガス流量な どを用いる こ と ができ る。 計算モデルと しては、 例えば

( t οχ²_ τ ²)/ B = t — (B /A )( t ox— て ） … （ 1 ) と い う 、 一般的な式を用いて も よい。 こ の （ 1 ) 式において、 t ox は酸化膜厚、 τ は初期膜厚、 t は時刻、 B / Aは一次 係数、 B は二次係数である。 例えば、 τ は 1 5 n m、 B /A は 5 X I 0 -6、 B は 8 X I 0 -6分 Ζ μ mなどの値を用いる。

時々 刻 々 変化する温度、 ガス流量を決め られた時間間隔、 例えば 1 秒で読み込みその値を用いてその時間間隔の間で酸 化膜厚の増加分を計算 し累積 していく こ と で、 その時刻での 酸化膜厚を計算する こ と ができ る。 このこ と によ り 、 温度や 流量の外乱によ る酸化膜厚の変動を考慮でき る。 これは、 従 来の酸化方法では考慮でき なかつ た点であ る。 時間間隔を 1 秒とする のは、 例えば酸化膜厚を ± 0 . 2 n mで制御 したい 場合には、 ± 2 秒の精度で装置を コ ン ト ロ ールする必要があ り 、 これよ り 短いサンプリ ング レー ト にする必要カゝらである 酸化膜厚の計算結果は、 計算膜厚判定機能によ って判定さ れる。 規定の膜厚、 例えば 6 0 n mに計算膜厚が達した時点 で、 プロ セス制御コ ン ト ロ ーラ部 3 0 から装置内 コ ン ト ロ ー ラ 2 0 にス ト ッ プ信号が送 られる。 装置内 コ ン ト ロ ーラ 2 0 はマルチプロセス装置 1 0 に対 してス ト ッ プ信号を送 り 、 酸 化をス ト ップさせる。

よ り 具体的には、 装置内 コ ン ト ロ ーラ 2 0 カゝらマルチプロ セス装置 1 0 に対 して、 例えば 「酸化ガス を流すシーク ェ ン スを終了 して、 次の不活性ガス を流すシーク ェンス に切 り 替 える」 と レヽ ぅ割 り 込み指示を出すこ と に対応する。 こ のタイ ミ ングは、 少 し前に設定する こ と も可能である。 つま り 、 ス ト ップ信号を出 してか ら酸化終了までに直 ぐにはガスが切 り 替わ らないな どの理由がある場合には、 少 し余計に酸化 され て しま う こ と になる。 こ の余計な酸化の分を見込んで、 目標 膜厚よ り 若干薄い値を判定膜厚と して設定しておけばよい。

酸化膜形成後に連続で S i N膜の堆積を行 う 場合は、 マル チプロ セ ス装置 1 0 は、 酸化膜形成終了後のス ト ップ信号を 受けた後に装置内コ ン ト ロ 一ラ 2 0 よ り 再度ス タ ー ト信号を 受け取る。 プロ セス制御コ ン ト ロ ーラ部 3 0 は、 再度のス タ 一 ト信号を受け取 り 、 装置内部のプロ セス ガス等の情報によ り 酸化膜厚計算 /堆積膜厚計算 Z ドー ピン グ量計算の中でど の計算を行 う かを判断する。

本実施形態では、 S i N膜の形成を第二番 目 に行 う の で堆 積膜厚の計算に進む。 計算には、 装置内部の情報が用い られ る。 装置内情報と しては、 炉内外の各種熱電対からの温度情 報、 流量計からのガス流量、 圧力計か らのプロセス圧力等を 用いる こ と ができ る。 時々刻々 変化する温度， ガス流量， プ ロ セ ス圧力を決め られた時間間隔、 例えば 1 秒で読み込む。 そ して、 読み込んだ値を用いて、 その時間間隔での間の堆積 膜厚の増加分を計算 し累積 してい く こ と で、 その時刻での堆 積膜厚を計算する こ と ができ る。 こ の こ と に よ り 、 温度， 流 量や圧力の外乱によ る堆積膜厚の変動を考慮でき る。 これは、 従来の堆積膜厚の制御では考慮でき なかつた点である。

堆積膜厚の計算結果は、 計算膜厚判定機能によ って判定さ れる。 規定の膜厚、 例えば 1 0 0 n mに計算膜厚が達 した時 点で、 プロ セス制御コ ン ト ロ ーラ部 3 0 カゝ ら装置内コ ン ト 口 ーラ 2 0 にス ト ップ信号が送 られる。 装置内 コ ン ト ロ ーラ 2 0 はマルチプロセス装置 1 0 に対 してス ト ッ プ信号を送 り 、 S i N膜の堆積をス ト ップさせる。

よ り 具体的には、 装置内 コ ン ト ロ ーラ 2 0 カゝらマルチプロ セス装置 1 0 に対 して、 例えば 「堆積ガス を流すシーク ェン ス を終了 して、 次の不活性ガス を流すシー ク ェ ンス に切 り 替 える」 と い う 割 り 込み指示を出すこ と に対応する。 こ のタイ ミ ングは、 少 し前に設定する こ と も可能である。 つま り 、 ス ト ッ プ信号を出 してか ら堆積終了までに直ぐにはガスが切 り 替わ ら ないな どの理由があ る場合には、 少 し余計に堆積され て しま う こ と になる。 この余計な堆積の分を見込んで、 目標 膜厚よ り若干薄い値を判定膜厚と して設定しておけばよい。

堆積ガスから不活性ガス に切 り 替えてか らは、 決め られた シーク ェンスに従って降温、 ウェハの搬出の指示を装置内 コ ン ト ロ ーラ 2 0 力 ら 出 し、 マルチプロセス装置 1 0 が これを 実行 してプロセスが終了する。 連続プロセス によ る 1 ウ ェハ 毎のそれぞれの膜厚変動は、 これまで制御でき なかった炉内 温度， ガス流量， プロセス圧力等の変動に よ って生じている 本実施形態の装置、 制御方法を用いる こ と に よ り 、 これ らの 変動を取 り 入れた膜厚計算を行い、 その結果をプロセス処理 にフ ィ ー ドバ ッ クする こ と で、 変動の少ない厳密な膜厚の制 御が可能と なる。

即ち、 プロセス制御コ ン ト ロ ーラ部 3 0 に よ り 、 装置内部 情報に基づいて品質特性を リ アルタイ ムに計算 し、 処理時間 を制御する こ と によ り 、 外乱に対 して極めて厳密な制御が可 能になる。 よ り 具体的には、 プロ セス制御コ ン ト ローラ部 3 0 に、 炉内温度， 真空度， ガス流量な どの装置内部情報、 大 気圧な どの装置外部情報を リ アルタイ ムで取 り 込む機能、 取 り 込んだ情報を計算に使用でき る よ う に変換する機能、 酸化 膜厚 堆積膜厚 Z不純物拡散長な どを リ アルタィ ムで計算す る機能、 リ アルタイ ムで計算する アルゴ リ ズム （酸化 堆積 拡散） を選択する機能、 装置の処理開始信号に よ り 計算を 開始 し、 所望の膜厚ノ ドー ピング量な どに達 した時点で装置 に処理終了信号を発信する機能を持たせる。

これに よ り 、 処理時間の制御を厳密に行 う こ と ができ る。 従って、 装置内の制御不可能な外乱要因に よ る膜厚ばらつき や、 大気圧な どの装置外の制御不可能な外乱要因によ る膜厚 ばらつき を抑制する こ と ができ 、 十分な素子性能， 回路特性 を得る こ と が可能と なる。

図 3 に、 本実施形態における プロセス制御コ ン ト ローラ部 3 0 内の演算フ ローチャー ト を示す。 こ の図を参照 して、 酸 化膜計算と堆積膜厚計算の 2つを行 う方法を説明する。

まず、 膜厚計算及び ドー ピング量計算の初期化を行 う （ス テ ツプ S 1 ) 。 次に、 装置内コ ン ト ロ ーラ 2 0 力、 らのス ター ト信号を監視する （ステ ッ プ S 2 ) 。 ス ター ト信号がき た ら 装置内部情報を受け取 り （ス テ ッ プ S 3 ) 、 酸化膜厚計算 と 堆積膜計算のいずれの計算を行えばよいか判断する （ステ ツ プ S 4 ) 。

本実施形態では、 最初に酸化膜厚計算を行 う （ステ ッ プ S 1 2 ) 。 計算酸化膜厚が規定値、 この場合 6 0 n mを超えて いる カゝど う かを判断する （ステ ッ プ S 1 3 ) 。 超えていなけ れば、 前回の内部情報取得から 1 秒待って再度内部情報を取 得し （ステ ップ S 1 1 ) 、 ステ ッ プ S 1 2 で酸化膜厚計算を 行 う 。 これを繰 り 返 して、 計算酸化膜厚が 6 0 n mを超えた ら、 装置内 コ ン ト ロ ーラ 2 0 ヘス ト ッ プ信号を送る （ ステ ツ プ S 5 ) 。 そ して、 全て の処理が終了 したか否かを判定 し (ステ ップ S 6 ) 、 他の処理がある場合はスター ト に戻る。 こ こ では、 1 秒の間隔で制御を行 う こ と を想定 している。 この場合、 1 秒間隔で装置内部情報を取得する こ と が可能か、 酸化計算， 計算膜厚判定が可能か、 な どの点が実現を阻む要 因にな り う る。 しか し、 現在の装置性能、 計算機の計算速度 を持ってすれば、 現実的な障害はないと考えてよい。

酸化膜厚計算後に、 前記ス テ ッ プ S 1 で膜厚計算及び ドー ビング量計算の初期化を行い、 前記ス テ ッ プ S 2 でス ター ト 信号の監視を行 う。 ス ター ト信号がき た ら前記ステ ップ S 3 で装置内部情報を受け取 り 、 前記ス テ ッ プ S 4 で酸化膜厚計 算 と堆積膜計算のいずれの計算を行えばよいか判断する。

こ こ では、 S i N堆積膜厚の計算 を行 う （ス テ ッ プ S 2 2 ) 。 そ して、 計算堆積膜厚が規定値、 この場合 l O O n m を超えているかど う かを判断する （ステ ッ プ S 2 3 ) 。 超え ていなければ、 前回の内部情報取得か ら 1 秒待って再度内部 情報を取得 し （ステ ッ プ S 2 1 ) 、 ステ ップ S 2 2 で堆積膜 厚の計算を行 う 。 これを繰 り 返 して、 計算堆積膜厚が 1 0 0 n mを超えた ら、 前記ステ ッ プ S 5 で装置内 コ ン ト ロ ーラ 2 0 ヘス ト ップ信号を送る。 そ して、 前記ステ ップ S 6 に よ り 全ての処理が終了 した と判定した ら、 処理を終了する。

以上が本実施形態におけ るプロセス制御コ ン ト ローラ部 3 0 内の演算フ ローチヤ一 トの説明である。

図 4 Aは、 1 回 目 のステ ップ S 2〜 S 5 に よ り 、 マルチプ ロ セ ス装置 1 0 内で、 S i 基板 5 0 上に S i O 2 膜 5 1 が形 成された状態を示す断面図であ る。 図 4 B は、 2 回 目 のス テ ッ プ S 2〜 S 5 によ り 、 マノレチプロ セ ス装置 1 0 内で、 S i O 2 膜 5 1 上に S i N膜 5 2 が形成 さ れた状態を示す断面 図である。 何れの膜厚も高精度に制御する こ と ができた。

こ の よ う に本実施形態に よれば、 プロセス制御コ ン ト ロ 一 ラ部 3 0 を設け、 マルチプ ロ セ ス装置 1 0 内における酸化処 理と堆積処理を リ アルタ イ ムでモニタ し、 その処理時間を制 御する こ と によ り 、 連続プロセス によ る 1 ウ ェハ毎のプロセ スばらつき を小 さ く する こ と ができ る。 また、 複数プ ロ セ ス の計算を行 う 場合の計算を高精度化する こ と ができ る。 酸化 膜厚でいえば、 0 . 1 n mの膜厚の制御が可能になる と 共に グー ト酸化膜及びポ リ S i 電極の連続成膜に よ っ て歩留ま り 、 信頼性が飛躍的に向上する。

(第 2 の実施形態）

第 1 の実施形態では、 熱酸化膜の形成 と S i N膜堆積の連 続形成プ ロ セ ス を例にあげたが、 本実施形態は A s 気相拡散 と熱酸化膜の連続プ ロ セ ス を例を説明する。 半導体製造装置 の装置構成は前記図 1 と 同様である。

本実施形態では、 ドーピング量の計算を第一番 目 に行 う こ と とする。 計算には装置内部の情報が用い られる。 装置内情 報と しては、 炉内外の各種熱電対からの温度情報、 流量計か らのガス流量、 圧力計からのプロ セス圧力等の情報を用いる こ と がで き る。 時々 刻々 変化する 温度， ガス流量， プロ セ ス 圧力を決め られた時間間隔、 例えば 1 秒で読み込みその値を 用いてその時間間隔の間における ドー ピング量の増加分を計 算 し累積 してい く こ と で、 その時刻での ドー ピング量を計算 する こ と ができ る。 こ のこ と に よ り 、 温度や流量の外乱に よ る ドー ピング量の変動を考慮でき る。 これは、 従来の気相拡 散方法では考慮でき なかつた点である。

ドーピング量の計算結果は、 計算 ドー ピング量判定機能に よ っ て判定さ れる。 規定の ドー ピ ング量、 例え ば 1 力 S 1 0 20 _at o m s / c m 2 に計算 ドー ピング量が達 した時点で、 プロ セ ス制御コ ン ト ロー ラ部 3 0 力、ら装置内コ ン ト ロ ーラ 2 0 に ス ト ップ信号が送られる。 装置内 コ ン ト ロ ーラ 2 0 はマルチ プロ セス装置 1 0 に対 してス ト ッ プ信号を送 り 、 気相拡散プ ロ セス をス ト ップさせる。

よ り 具体的には、 装置内 コ ン ト ロ ーラ 2 0 からマルチプロ セス装置 1 0 に対 して、 例えば 「 ドー ピングガス を流すシー クエ ンス を終了 して、 次の不活性ガス を流すシー ク ェ ンス に 切 り 替える」 と い う 割 り 込み指示を出すこ と に対応する。 こ のタ イ ミ ングは、 少 し前に設定する こ と も可能である。 つま り 、 ス ト ッ プ信号を出 してから気相拡散終了までに直ぐには ガス が切 り 替わ らないな どの理由がある場合には、 少 し余計 に気相拡散されて しま う こ と にな る。 こ の余計な気相拡散の 分を見込んで、 目標 ドー ピング量よ り 若干少ない値を判定 ド 一ビング量と して設定しておけばよい。

気相拡散後に連続で酸化膜の形成を行 う 場合は、 プロ セ ス 制御コ ン ト ローラ部 ₃ 0 は気相拡散終了後のス ト ップ信号を 受けた後に装置内 コ ン ト ロ ーラ 2 0 よ り 再度ス タ ー ト信号を 受け取る。 その信号を受け取 り 装置内部の プ ロ セ ス ガス 等の 情報によ り 酸化膜厚計算 Z堆積膜厚計算 Z ドーピング量計算 の中でどの計算を行 う かをプロセス制御コ ン ト ロ ーラ部 3 0 で判断する。 本実施形態では酸化膜の形成を第二番 目 に行 う ので、 酸化膜厚の計算アルゴ リ ズム に進む。 こ の計算には、 第 1 の実施形態 と 同様に装置内部の情報が用い られ、 計算モ デルと しては前記 （ 1 ) 式を用いればよい。

時々 刻 々 変化する温度、 ガス流量を決め られた時間間隔、 例えば 1 秒で読み込みその値を用いてその時間間隔の間の酸 化膜厚の増加分を計算 し累積 していく こ と で、 その時刻での 酸化膜厚を計算する こ と ができ る。 こ の こ と に よ り 、 温度や 流量の外乱によ る酸化膜厚の変動を考慮でき る。 これは従来 の酸化方法では、 考慮でき なかつ た点である。 時間間隔を 1 秒とする のは、 例えば酸化膜厚を ± 0 . 2 n mで制御 したい 場合には、 ± 2 秒の精度で装置を コ ン ト ロ ールする必要があ り 、 これよ り 短いサンプリ ング レー ト にする必要からである。 酸化膜厚の計算結果は、 計算膜厚判定機能に よ って判定さ れる。 規定の膜厚、 例えば 6 0 n mに計算膜厚が達した時点 で、 プロ セス制御コ ン ト ロ ーラ部 3 0 力、ら装置内 コ ン ト ロ ー ラ 2 0 にス ト ッ プ信号が送られる。 装置内 コ ン ト ローラ 2 0 はマルチプ ロ セ ス装置 1 0 に対 してス ト ッ プ信号を送 り 、 酸 化をス ト ップさせる。

よ り 具体的には、 装置内 コ ン ト ローラ 2 0 から酸化炉に対 して、 例えば 「酸化ガスを流すシーク ェ ンス を終了 して、 次 の不活性ガス を流すシーク ェ ンス に切 り 替える」 と レヽ ぅ 割 り 込み指示をだすこ と に対応する。 こ のタイ ミ ングは、 少 し前 に設定する こ と も可能である。 つま り 、 ス ト ッ プ信号を出 し てか ら酸化終了までに直ぐにはガスが切 り 替わ ら ないな どの 理由がある場合には、 少 し余計に酸化されて しま う こ と にな る。 こ の余計な酸化の分を見込んで、 目標膜厚よ り 若干薄い 値を判定膜厚と して設定しておけばよい。 連続プ ロ セ ス によ る 1 ウ ェハ毎の膜厚及び ドー ピング量変 動は、 これまで制御でき なかった炉内温度， ガス流量， プロ セス圧力等の変動に よ っ て生 じている。 本実施形態の装置、 制御方法を用いる こ と に よ り 、 これらの変動を取 り 入れた膜 厚計算を行い、 その結果をプロ セ ス処理にフ ィ ー ドバ ッ クす る こ とで、 変動の少ない厳密な膜厚の制御が可能と なる。

図 5 に、 本実施形態における プロセス制御コ ン ト ロ ーラ部 3 0 内の演算フ ロ ーチャー ト を示す。 こ の図を参照 して、 堆 積膜厚計算 と ドー ピ ング量計算の 2 つを行 う 方法を説明する。

まず、 膜厚計算及び ドー ピング量計算の初期化を行 う （ス テ ツ プ S 1 ) 。 次いで、 装置内コ ン ト ローラ 2 0 力 らのス タ ー ト信号を監視する （ス テ ッ プ S 2 ) 。 ス タ ー ト信号がき た ら装置内部情報を受け取 り （ス テ ッ プ S 3 ) 、 酸化膜厚計算 と ドー ピング量計算のいずれの計算を行えばよいか判断する (ステ ッ プ S 4 ) 。

本実施形態では、 まず ドー ピン グ量計算を行 う （ス テ ッ プ S 3 2 ) 。 計算 ドー ピ ン グ量が規定値、 こ の場合 1 X 1 0 ²⁰atoms/ c m 2 を超えてレヽる 力、 ど う かを判断する （ス テ ツ プ S 3 3 ) 。 超えていなければ、 前回の内部情報取得か ら 1 秒待って再度内部情報を取得 し （ス テ ッ プ S 3 1 ) 、 ステ ツ プ S 3 2 で ドー ピング量計算を行 う 。 これを繰 り 返 して、 計 算 ドー ピング量が 1 X 1 0 ²⁰atoms/ c m 2 を超えた ら 、 装 置内 コ ン ト ロ ー ラ 2 0 ヘ ス ト ッ プ信号を送 り （ ス テ ッ プ S 5 ) 、 ス タ ー ト に戻る。

こ こ では、 1 秒の間隔で制御を行 う こ と を想定 している。 この場合、 1 秒間隔で装置内部情報を取得する こ と が可能力 ドー ピング量計算， 計算 ドー ピング量判定が可能か、 な どの 点が実現を阻む要因にな り う る。 しか し、 現在の装置性能， 計算機の計算速度を持ってすれば、 現実的な障害はない と 考 えてよい。

ドー ピング量計算後に、 前記ステ ップ S 1 で膜厚計算及び ドー ピング量計算の初期化を行い、 前記ステ ップ S 2 でス タ ー ト信号の監視を行 う 。 ス ター ト信号がき た ら、 前記ステ ツ プ S 3 で装置内部情報を受け取 り 、 前記ステ ップ S 4 で酸化 膜厚計算// ドー ピング量計算 堆積膜計算のいずれの計算を 行えばよ いか判断する。 こ こ では、 酸化膜厚の計算を行 う

(ステ ップ S 1 2 ) 。 計算酸化膜厚が規定値、 こ の場合 6 0 n mを超えているかど う かを判断する （ステ ップ S 1 3 ) 。 超えていなければ、 前回の内部情報取得か ら 1 秒待って再度 内部情報を取得 し （ステ ップ S 1 1 ) 、 ステ ップ S 1 2 で酸 化計算を行 う 。 これを繰り 返 して、 計算酸化膜厚が 6 0 n m を超えた ら、 装置內 コ ン ト ロ ーラ 2 0 ヘス ト ップ信号を送る

(ステ ップ S 5 ) 。 そ して、 前記ステ ップ S 6 において全て の処理が終了 した と判定された ら、 処理を終了する。

以上が本実施形態におけるプロ セス制御 コ ン ト ローラ部 3 0 内の演算フ ロ ーの説明であ り 、 第 1 の実施形態 と は処理の 種類と順番が異なるのみである。

図 6 Aは、 1 回 目 のステ ップ S 2 〜 S 5 に よ り 、 マルチプ ロ セ ス装置 1 0 内で、 S i 基板 6 0 の表面に A s の拡散層 6 1 が形成された状態を示す断面図である。 図 6 B は、 2 回 目 のステ ップ S 2 〜 S 5 に よ り 、 マルチプロ セス装置 1 0 内で、 S i 基板 6 0 上に S i O 2 膜 6 2 が形成 さ れた状態を示す 断面図であ る。 拡散層 6 1 の深 さ 及び S i O 2 膜 6 2 の膜 厚の何れも高精度に制御する こ と ができた。

本実施形態に よれば、 プ ロ セ ス制御 コ ン ト ロ ーラ部 3 0 を 設け、 マルチプ ロ セ ス装置 1 0 内における拡散処理と酸化処 理を リ アルタイ ムでモニタ し、 その処理時間を制御 している ので、 先の第 1 の実施形態 と 同様の効果が得られるのは勿論 のこ と 、 反応を伴わないイ オン注入の よ う にプロ セス状態の 計算が しに く い場合でも正確な計算が可能と なる。

(変形例）

なお、 本発明は上述 した各実施形態に限定される も のでは ない。 実施形態では、 マルチプ ロ セ ス装置に対 して専用のプ ロ セ ス制御コ ン ト ロ ーラ を設けたが、 こ のプロセス制御コ ン ト ロ ー ラ の機能を外部計算機で実現する よ う に しても よ い。 さ ら に、 プロセス制御コ ン ト ロ ーラ は、 装置内部情報に基づ いて計算を行 う よ う に したが、 装置内部情報に加えて大気圧 な どの外部情報に基づいて計算を行 う よ う に して も よい。 ま た、 処理は酸化/拡散 Z C V D に限る も のではな く 、 半導体 装置の製造に使用する各種の処理に適用する こ と が可能であ る。

その他、 本発明の要旨を逸脱 しない範囲で、 種々 変形 して 実施する こ と ができ る。 産業上の利用可能性 本発明に よれば、 処理装置本体の装置内部情報を基に複数 の処理に対する プロ セ ス状態を計算する外部計算機又はプロ セ ス制御 コ ン ト ローラ部を用い、 装置コ ン ト ロ ーラ部か らス ター ト信号が送出 さ れたタ イ ミ ングで現在の処理に対する プ ロ セ ス状態の計算を開始し、 プロ セス状態が規定の状態に達 した時点で装置コ ン ト ローラ部にス ト ップ信号を送出する こ と に よ り 、 装置内の制御不可能な外乱要因に よ る膜厚ばらつ きや、 大気圧な どの装置外の制御不可能な外乱要因に よ る膜 厚ばらつき を抑制する こ と ができ る。 従って、 十分な素子性 能， 回路特性を得る こ と ができ る。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 同一チャ ンバ内で半導体装置の製造に関する複数の処理 を連続して行 う 処理装置本体と 、

こ の処理装置本体における処理の種類を選択する と 共に、 該処理装置本体に処理を開始する ためのス ター ト信号及び処 理を停止するための ス ト ップ信号を与える装置コ ン ト ロ ーラ 部と 、

前記処理装置本体の装置内部情報を外部に出力する ための 第 1 の端子と 、

前記装置コ ン ト ロ ーラ部からのス タ ー ト信号を外部に出力 するための第 2 の端子と 、

第 2 の端子からのス タ ー ト信号を受けて前記装置内部情報 を基に現在の処理に対するプロ セ ス状態を計算 して得 られた 結果に基づ く ス ト ッ プ信号を前記装置コ ン ト ロ ーラ部に入力 するための第 3 の端子と 、

を具備 してな り 、

前記装置コ ン ト ロ ーラ部は、 第 3 の端子か らのス ト ッ プ信 号の入力に よ り 前記処理装置本体にス ト ップ信号を送出 し、 前記処理装置本体に よ る現在の処理を停止 して次の処理に移 行させる ものである こ と を特徴とする半導体製造装置。

2 . 前記装置コ ン ト ロ ーラ部に外部計算機が接続され、 こ の 外部計算機は、 第 1 の端子からの装置内部情報を基に複数の 処理に対するプロ セ ス状態を計算する機能を有 し、 第 2 の端 子か らのス タ ー ト信号に よ って現在の処理に対するプ ロ セス 状態の計算を開始 し、 現在の処理に対する プロ セ ス状態が規 定の状態に達した ら第 3 の端子にス ト ップ信号を送出する も のである こ と を特徴とする請求項 1 に記載の半導体製造装置。

3 . 前記外部計算機は、 装置内部情報を用いて何れのプロセ ス状態を計算すればよいかを判定する機能を有する こ と を特 徴とする請求項 2 に記載の半導体製造装置。

4 . 前記外部計算機は、 装置内部情報と共に装置外部情報を 取 り 込み、 これ らの各情報を用いてプロ セ ス状態を計算する こ と を特徴とする請求項 2 に記載の半導体製造装置。

5 . 前記外部計算機に取 り 込む装置内部情報は温度， 圧力， ガス流量であ り 、 前記外部計算機に取 り 込む装置外部情報は 大気圧であ る こ と を特徴と する請求項 4 に記載の半導体製造 装置。

6 . 前記処理装置本体は、 加熱機構を有する ものであ る こ と を特徴とする請求項 1 に記載の半導体製造装置。

7 . 前記処理装置本体は、 酸化， C V D， 拡散の う ちの少な く と も 2 つの処理を連続 して行 う ものである こ と を特徴とす る請求項 1 に記載の半導体製造装置。

8 . 同一チ ャ ンバ内で半導体装置の製造に関する複数の処理 を連続して行う 処理装置本体と、

こ の処理装置本体における処理の種類を選択する と 共に、 該処理装置本体に処理を開始する ためのス タ ー ト信号及び処 理を停止するためのス ト ッ プ信号を与える装置コ ン ト ローラ 部と 、

前記処理装置本体の装置内部情報を基に複数の処理に対す る プ ロ セ ス状態を計算する機能を有 し、 前記装置コ ン ト ロ ー ラ部からス ター ト信号が送出 されたタ イ ミ ングで現在の処理 に対する プ ロ セ ス状態の計算を開始 し、 プ ロ セス状態が規定 の状態に達 した時点で前記装置コ ン ト ロ ーラ部にス ト ッ プ信 号を送出するプロセス制御コ ン ト ローラ部と 、

を備えた半導体製造装置であって、

前記装置コ ン ト ロ ーラ部は、 前記プロセス制御コ ン ト ロ ー ラ部から ス ト ッ プ信号が入力 される と 前記処理装置本体にス ト ップ信号を送出 し、 該処理装置本体によ る現在の処理を停 止 して次の処理に移行 させる ものであ る こ と を特徴と する半 導体製造装置。

9 . 前記プロセス制御コ ン ト ロ ーラ部は、 装置内部情報を用 いて何れのプロ セ ス状態を計算すればよいかを判定する機能 を有する こ と を特徴とする請求項 7記載の半導体製造装置。

1 0 . 前記プロ セス制御コ ン ト ロ ーラ部は、 装置内部情報と 共に装置外部情報を取 り 込み、 こ れ ら の各情報を用いてプロ セ ス状態を計算する こ と を特徴とする請求項 8 に記載の半導 体製造装置。

1 1 . 前記外部計算機に取 り 込む装置内部情報は温度， 圧力， ガス流量であ り 、 前記外部計算機に取 り 込む装置外部情報は 大気圧である こ と を特徴と する請求項 1 0 に記載の半導体製 造装置。

1 2 . 前記処理装置本体は、 加熱機構を有する も のであ る こ と を特徴とする請求項 8 に記載の半導体製造装置。

1 3 . 前記処理装置本体は、 酸化， C V D , 拡散の う ちの少 な く と も 2 つの処理を連続 して行 う も のである こ と を特徴と する請求項 8 に記載の半導体製造装置。

1 4 . 同一チ ャ ンバ内で半導体装置の製造に関する複数の処 理を連続 して行 う 処理装置本体と 、 こ の処理装置本体におけ る処理の種類を選択する と 共に、 処理の開始及び停止を制御 する装置コ ン ト ロ ーラ部と 、 前記処理装置本体の装置内部情 報を基に複数の処理に対するプロ セ ス状態を計算する機能を 有するプロセス制御コ ン ト ローラ部と を備えた半導体製造装 置を用い、 被処理基板に対 して所定の処理を施す半導体装置 の製造方法であって、

前記処理装置本体に被処理基板をセ ッ ト した状態で、 前記 装置コ ン ト ローラ部によ り 所定の処理を開始させる と 共に、 前記プロ セス制御コ ン ト ロ ーラ部によ り 現在の処理に対する プロ セス状態の計算を開始 し、 この計算結果でプロ セス状態 が規定の状態に達 した と判定された ら、 前記装置コ ン ト ロ ー ラ部によ り 現在の処理を停止 させて、 次の処理に移行させる こ と を特徴とする半導体装置の製造方法。

1 5 . 前記プロセス制御コ ン ト ロ ーラ部は、 装置内部情報を 用いて何れのプ ロ セ ス状態を計算すればよいかを判定する機 能を有する こ と を特徴 とする請求項 1 4 に記載の半導体装置 の製造方法。

1 6 . 前記プロ セス制御コ ン ト ロ ーラ部は、 装置内部情報と 共に装置外部情報を取 り 込み、 これらの各情報を用いてプロ セ ス状態を計算する こ と を特徴と する請求項 1 4 に記載の半 導体装置の製造方法。

1 7 . 前記外部計算機に取 り 込む装置内部情報は温度， 圧力， ガス流量であ り 、 前記外部計算機に取 り 込む装置外部情報は 大気圧であ る こ と を特徴と する請求項 1 6 に記載の半導体装 置の製造方法。

1 8 . 前記処理装置本体は、 加熱機構を有する ものであ る こ と を特徴とする請求項 1 4 に記載の半導体装置の製造方法。

1 9 . 前記処理装置本体は、 酸化， C V D , 拡散の う ちの少 な く と も 2 つの処理を連続 して行 う ものである こ と を特徴と する請求項 1 4 に記載の半導体装置の製造方法。