JP4463633B2 - 基板処理装置及び基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気炉の温度制御を行うことができるバッチ式半導体製造装置のような基板処理装置に関し、特に、電気炉によって構成された反応室内の温度制御を行いながら基板（以下、ウェハという）に成膜処理を施す基板処理装置及び基板の製造方法に関するものである。

基板処理装置として例えば半導体製造装置において、ウェハの製造歩留りを向上させるためには半導体製造装置における反応室内の温度を適正に制御する必要があり、このような反応室の温度制御に関する技術は種々報告されている。例えば、下記の特許文献１には、コンピュータシステムによって反応室内を均熱調整しながら温度制御を行うことにより、熟練作業者でなくても適正な目標温度でウェハの熱処理を行うことができる技術が開示されている。この技術によれば、反応室内の複数の加熱ゾーンに載置されたそれぞれのウェハの位置の温度を個別に検出し、検出された複数の検出温度の最大値と最小値の間に目標温度が含まれるように加熱装置を制御することによって反応室内の温度制御を自動で行っているので、オペレータの熟練度に関わらずウェハに対して最適な熱処理を施すことができる。
特開２００２−１７５１２３号公報

しかしながら、ウェハ成膜のアニールプロセス時には、通常、反応室内に反応ガスや不活性ガスを流しながら行うため、ガス流量が大きく変化すると反応室内の熱交換量が変化する。そのため、反応室内により多くの熱量を投下する必要があるが、熱量の投下に対する反応室内の温度上昇の時間遅れなどのためにウェハの温度が変化してしまうおそれがある。ウェハの温度が変化するとウェハの膜厚や電気的・機械的な特性に影響を与えるおそれがある。そのため、ガス流量が変化してもウェハの温度が所定の温度に保たれていることが重要であるが、上記の従来技術では、ガス流量が変化するとウェハの温度が変化してしまうなどの不具合がある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、ガス流量が大きく変化してもウェハの温度が所定の温度に保持されるような制御機能を備えた基板処理装置及び基板の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る基板処理装置は、設定温度にて制御され処理室内に収容された基板を加熱する加熱手段と、前記処理室内の温度を検出する温度検出手段と、前記処理室内にガスを供給するガス供給手段と、前記設定温度における前記ガス供給手段が供給するガス流量を変化させ、各ガス流量ごと、前記温度検出手段が検出する温度と前記基板の温度との温度差をそれぞれ求め、少なくとも前記各ガス流量とそれぞれの前記温度差とから前記各ガス流量に対する前記設定温度の各温度補正値をそれぞれ求めて記憶しておき、前記設定温度にて基板を処理する際に、前記ガス供給手段から供給する処理時ガス流量が前記記憶された各ガス流量の間の値の場合には、前記各ガス流量に対する前記各温度補正値を補間して、該補間後の温度補正値を前記設定温度に加算するように制御する加熱制御手段と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る基板の処理方法は、加熱手段が処理室内に収容された基板を設定温度にて加熱し、ガス供給手段が前記処理室内に供給するガス流量を変化させ、各ガス流量ごと、前記温度検出手段が検出する温度と前記基板の温度との温度差をそれぞれ求め、少なくとも前記各ガス流量とそれぞれの前記温度差とから前記各ガス流量に対する前記設定温度の各温度補正値をそれぞれ求めて加熱制御手段が記憶する工程と、前記加熱制御手段が前記ガス供給手段から供給する処理時ガス流量が前記記憶された各ガス流量の間の値の場合には、前記各ガス流量に対する前記各温度補正値を補間して、該補間後の温度補正値を前記設定温度に加算し、該加算後の設定温度にて前記加熱手段を制御し、基板を処理する工程と、を有することを特徴とする。

このような構成によれば、ガスの供給流量に応じた温度補正値によって目標温度の補正を行うので、ガス流量が大きく変化してもウェハの温度を所定の温度に保つことができる。従って基板の製品歩留りを向上させることができる。

本発明の基板処理装置及び基板の処理方法によれば、予め、反応室内の温度とガス流量とウェハ温度との関係を補正値として取得し、実際の処理プロセスでは、ガス流量に応じて温度の補正を行う。これによって、ウェハの温度を予め設定した温度目標値に安定させることができ、結果的に、ウェハの製造品質を安定化させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明における実施の形態を基板処理装置としての半導体製造装置に例をとって詳細に説明する。図１は、一般的な半導体製造装置に適用される反応室の断面図である。図１において、ウェハ（半導体基板）３は、反応菅４内に格納されたボート２に複数枚多段に載置されている。また、反応管４の外側にはヒータ１が設けられており、さらに、反応管４の下部には、反応ガスを導入するためのガス導入口６及び処理済みのガスを排出するためのガス排気口５が設けられる。

次に、図１に示す反応室によってウェハ３の処理を行う手順を説明する。ボート２は、ウェハ３の処理を開始する前は反応管４の下方に位置している。従って、図示しないウェハ搬送機構によって複数のウェハ３をボート２に収納した後、図示しないボート昇降機構によってボート２を反応管４内に収納する。この状態で、ガス導入口６から反応ガスを導入しながらガス排気口５から処理済みのガスの排気を行い、反応管４内を所定の圧力に調整する。このとき、反応ガスはボート２上のウェハ３の面上を通過してガス排気口５から排気される。この後、ヒータ１の温度を上昇させ、反応管４内を所定の温度まで加熱する。なお、反応管４内における圧力の目標値及び温度の目標値は予め設定されている。

このようにして所定の圧力および温度の状態となった反応管４内では、加熱されたウェハ３の面上において成膜処理が進行する。この状態を所定時間保つことによって成膜処理が完了したら、反応管４へのボート２の収納時とは逆の手順によってボート昇降機構でボート２を下降させた後、ボート２よりウェハ３を取り出して一連のウェハ成膜処理を終了する。

また、図１に示す縦型半導体製造装置の場合は、ウェハ３の載置範囲は上下方向に長いため、ウェハ３の各載置位置におけるウェハ３の温度にはむらが生じるおそれがある。従って、ヒータ１のヒータ素線１ａを上下方向に分割し、これらのヒータ素線１ａをヒータコントローラ１３によって別個に制御することによって、ウェハ３が載置される範囲全域に亘って均一な温度状態を確保するようにしている。

図２は、図１に示す反応室における制御システムの構成図である。つまり、図２に示すように、図１に示す温度コントローラ１２は装置操作部１１に接続されている。なお、装置操作部１１には、温度コントローラ１２以外に圧力コントローラその他各種のコントローラが接続されているが、それらのコントローラは本発明とは直接的には関係ないので説明は省略する。

図２に示す各構成要素は、例えば、ＬＡＮや調歩同期等の通信回路を用いることにより接続されており、各構成要素間において情報のやり取りが行われる。ここで、装置操作部１１は、半導体製造装置の運用のための操作や、各種設定の入力及び保存、自動運転制御など、作業者とのインタフェースを行う機能を備えている。

温度コントローラ１２は、装置操作部１１から制御目標温度値を受け取り、温度センサ、つまり、内部ＴＣ（内部熱電対）７及び外部ＴＣ（外部熱電対）８から現在温度を検出し、制御目標温度値と内部ＴＣ７の検出温度とが一致するようにＰＩＤ（Proportion Integral Differential）演算等を行い、制御量としてヒータ出力信号を算出してヒータコントローラ１３へ出力する。また、温度コントローラ１２は温度履歴を保存する等の処理も行う。

ヒータコントローラ１３は、温度コントローラ１２からヒータ出力信号を受け取り、このヒータ出力信号に基づいてヒータ１への出力値の算出を行った後にヒータ１へ所望の電力供給を行う。これによって、各ヒータ素線１ａは所望の電力供給量に基づいて反応管４の加熱制御を行う。半導体製造装置においては反応管４内の温度条件は極めて重要であり、上記のような温度制御による目標温度の精度がウェハ膜の均一性に大きく影響してくる。

図３は、図１に示す反応室における温度制御システムの構成図である。上記で述べたような反応管４内の温度制御は、例えば、図３の温度制御システムのようなＰＩＤカスケード制御方式が用いられている。ここで、ウェハ温度と内部ＴＣ７の温度が一致しない場合には、ウェハ温度が制御目標温度値（設定温度）と一致するように内部ＴＣ７の温度を補正することもある。例えば、実際に製品（ウェハ）を製造、処理する前準備として、熱電対付きウェハを反応管４内の加熱ゾーンであるＵ，ＣＵ，ＣＬ，Ｌゾーンに配置し、カスケード熱電対を目標温度に制御した場合に得られるウェハに付設された熱電対の検出温度と、目標温度との差に基づいて、それぞれのゾーンにおけるカスケード熱電対の目標温度を補正するようにすることができる。

図４は、図１に示す反応室内にて処理されたウェハ成膜のアニールプロセス時の温度特性の一例であり、横軸に時間（分）、縦軸に温度（℃）をとっている。この例では、比較的低温（４５０℃）を所定の目標設定温度として、その目標設定温度（４５０℃）で温度を安定させた状態で製品ウェハを移載したボート２を反応管４に収納してアニール処理を行うようにしている。

このような場合、ウェハ３に成膜処理を行うアニールプロセス時には、反応ガスや不活性ガスを反応管４の内部に流しながら処理を行う。ところが、このときにガス流量が大きく変化すると反応管４内の熱交換量が変化するため、ヒータ１からより多くの熱量を投下する必要があるので、結果的にウェハ３の温度が変化してしまうことがある。このようにウェハ３の温度が変化するとウェハ３の膜厚がばらついたり、ウェハ３の電気的・機械的な特性が不安定になったりする。

そこで、実施の形態では、ガス流量が大きく変化してもウェハ３の温度が所定温度になるような制御を行っている。つまり、実施の形態の半導体製造装置では、予め、温度とガス流量とウェハ温度の関係をデータに記録しておく。次に、目標温度設定値とウェハ温度のずれを補正するための温度補正値を記録しておく。図５は、実施の形態における半導体製造装置の反応室に用いられる温度補正値のテーブルを示す図である。図５に示すように、ガス流量ごとに各ゾーンの温度補正値を設定してテーブルに記録しておく。

例えば、ガス流量が５Ｌ（リットル）の場合は、Ｕゾーンの温度補正値は−３.２℃、ＣＬゾーンの温度補正値は−２.０℃であり、ガス流量が２０Ｌの場合は、ＣＵゾーンの温度補正値は−７.３℃、Ｌゾーンの温度補正値は−１２.８℃である。なお、負の温度補正値の場合は目標温度設定値から温度補正値を引き算し、正の温度補正値の場合は目標温度設定値に温度補正値を足し算した値が補正後の目標温度設定値となる。

実際に温度制御する際は、反応管４が複数ゾーンに分かれているので相互のゾーンで温度干渉がある。そのため、均熱長プロファイル補正で使用する干渉行列法を用いて補正温度の計算を行い、各ゾーンの温度補正値を求める。なお、干渉行列法とは、例えば、カスケード熱電対に対する目標温度の変化が、熱電対付きウェハの検出温度に与える影響の度合いを示す係数の行列である。（詳細は上記に紹介した特許文献１を参照）
また、実際のプロセスを行う場合は、温度とガス流量にしたがって求めた温度補正値で内部ＴＣ７の温度の補正を行う。これによってガス流量が変化してもウェハ３の温度は目的温度で処理することができる。

次に、実施例を用いて実施の形態における反応室の温度制御について説明する。まず、予め、反応管４内に所望の温度と流量を与え、そのときのウェハ温度を記録する。図６は、ガス流量を２０Ｌ、温度設定値を４５０℃としたとき、温度補正を行わないで内部ＴＣの温度を制御した場合の内部ＴＣ温度とウェハ温度の特性図である。また、図７は、ガス流量を１０Ｌ、温度設定値を４５０℃としたとき、温度補正を行わないで内部ＴＣの温度を制御した場合の内部ＴＣ温度とウェハ温度の特性図である。なお、図６、図７において、横軸は時間（分）、縦軸は温度（℃）を示している。

図６のガス流量２０Ｌの場合においては、時刻２４分のときに、反応管４内へウェハ３を載置して目標温度を４５０℃に設定し、ヒータ１によって反応室４内を加熱する。このとき、温度設定値４５０℃に対してウェハ３の温度は４６２℃となり、温度差が−１２℃となる。

一方、図７のガス流量１０Ｌの場合においては、時刻２４分のときに、反応室４内へウェハ３を載置して目標温度を４５０℃に設定し、ヒータ１によって反応室４内を加熱する。このとき、温度設定値４５０℃に対してウェハ３の温度は４５５℃となり、温度差は−５℃となる。

したがって、例えば、ガス流量が２０Ｌの時には、内部ＴＣ７の温度に対して補正値として１２℃を引いて制御することにより、内部ＴＣ７の温度は４３８℃で制御されることになり、結果的にウェハ３の温度が４５０℃になることが期待できる。一方、ガス流量が１０Ｌの時には、内部ＴＣ７の温度に対して補正値として５℃を引いて制御することにより、内部ＴＣ７の温度は４４５℃で制御されることになり、結果的にウェハ温度が４５０℃になることが期待できる。

図８は、ガス流量を１０Ｌ、温度設定値を４５０℃としたとき、温度補正を行って内部ＴＣの温度を制御した場合の内部ＴＣ温度とウェハ温度の特性図である。つまり、温度設定値４５０℃でガス流量１０Ｌのときに５℃の補正値を加えて制御した結果、ウェハ３の温度は温度設定値４５０℃で安定しているのがわかる。また、ガス流量が１５Ｌのときなどは、１０Ｌと２０Ｌの補正値を補間して使用することによって対応することができる。つまり、ガス流量が１０Ｌと２０Ｌとの間にあるときは、重み付けによって補正の割合を決めたり、単純比例によって補正値を決めたりすることができる。

以上説明したように、本実施の形態における半導体製造装置は、複数ゾーンに分割された発熱体により、それぞれのゾーンに対応した反応管の内部に挿入された内部熱電対（内部ＴＣ）で検出される温度を制御するバッチ式の半導体製造装置であって、ガス流量と内部熱電対温度とウェハ温度の変化量の関係を予め関連式として求めておいて、がス流量と内部熱電対温度からウェハの温度変化量を算出するように構成されている。

また、本実施の形態における半導体製造装置は、上記の関連式からウェハ温度を目的温度にするために必要な内部熱電対温度の変化量を算出する。さらに、上記の関連式から、ウェハの温度を目的温度にするために必要な内部熱電対の温度の変化量を算出し、この変化量を温度設定値の補正量として補正を行う。

以上の説明から、実施の形態の半導体製造装置は次のように構成することができる。すなわち、処理室内に収容された半導体基板（ウェハ３）を加熱する加熱手段（ヒータ１）と、加熱手段を制御する加熱制御手段（ヒータコントローラ１３）と、半導体基板と加熱手段との間に位置し、処理室内の温度を検出する温度検出手段（内部ＴＣ７）と、半導体基板が収容された位置で半導体基板の温度を検出する基板温度検出手段と、処理室内にガスを供給するガス供給手段（ガス導入口６）とを備え、半導体基板を処理する前に、温度検出手段の検出温度が予め設定した設定温度になるように加熱制御手段が加熱手段を制御し、その際に基板温度検出手段が検出する温度と温度検出手段が検出する温度とを測定し、さらにその状態でガス供給手段が供給するガス流量を変化させ、ガス流量の違いによるそれぞれの温度検出手段の検出温度とそれぞれの基板温度検出手段が検出する温度との温度差を求め、ガス流量と設定温度と温度差とを関連させて記憶しておき、半導体基板を処理する際には基板温度検出手段を処理室内から取外し、ガス供給手段から流そうとするガス流量と設定温度とから予め記憶されたガス流量と設定温度と温度差との関係から温度差を選択し、その温度差を設定温度に加算し、加算後の設定温度になるように加熱制御手段が加熱手段を制御するように構成する。

また、実施の形態によれば、本発明は基板（半導体基板）の製造方法を開示している。すなわち、処理室内に収容された基板を加熱する加熱手段（ヒータ１）と、処理室内の温度を検出する温度検出手段（内部ＴＣ７）と、処理室内にガスを供給するガス供給手段（ガス導入口６）とを備えて基板の製造を行う基板の製造方法であって、加熱手段が基板を加熱する工程と、ガス供給手段がガスを供給する工程と、温度検出手段が処理室内の温度を検出する工程と、ガス供給手段が供給するガス流量と、温度検出手段が検出する温度変化量と、基板の温度が変化する変化量との相関関係を求める工程と、相関関係及びガス流量と温度検出手段の検出する温度とに基づいて、基板の温度を求める工程と、を有することを特徴とする基板の製造方法を開示している。

一般的な半導体製造装置に適用される反応室の断面図である。 図１に示す反応室における制御システムの構成図である。 図１に示す反応室における温度制御システムの構成図である。 図１に示す反応室によって処理されたウェハ成膜のアニールプロセス時の温度特性の一例である。 本実施の形態における半導体製造装置の反応室に用いられる温度補正値のテーブルを示す図である。 ガス流量を２０Ｌ、温度設定値を４５０℃としたとき、温度補正を行わないで内部ＴＣの温度を制御した場合の内部ＴＣ温度とウェハ温度の特性図である。 ガス流量を１０Ｌ、温度設定値を４５０℃としたとき、温度補正を行わないで内部ＴＣの温度を制御した場合の内部ＴＣ温度とウェハ温度の特性図である。 ガス流量を１０Ｌ、温度設定値を４５０℃としたとき、温度補正を行って内部ＴＣの温度を制御した場合の内部ＴＣ温度とウェハ温度の特性図である。

符号の説明

１ ヒータ
１ａ ヒータ素線
２ ボート
３ ウェハ
４ 反応管
５ ガス排気口
６ ガス導入口
７ 内部ＴＣ（内部熱電対）
８ 外部ＴＣ（内部熱電対）
１１ 装置操作部
１２ 温度コントローラ
１３ ヒータコントローラ

Claims (2)

1. 設定温度にて制御され処理室内に収容された基板を加熱する加熱手段と、
   前記処理室内の温度を検出する温度検出手段と、
   前記処理室内にガスを供給するガス供給手段と、
   前記設定温度における前記ガス供給手段が供給するガス流量を変化させ、各ガス流量ごとに、前記温度検出手段が検出する温度と前記基板の温度との温度差をそれぞれ求め、少なくとも前記各ガス流量とそれぞれの前記温度差とから前記各ガス流量に対する前記設定温度の各温度補正値をそれぞれ求めて記憶しておき、
   前記設定温度にて基板を処理する際に、前記ガス供給手段から供給する処理時ガス流量が前記記憶された各ガス流量の値の場合には、該記憶されたガス流量に対する前記温度補正値を前記設定温度に加算し、前記ガス供給手段から供給する処理時ガス流量が前記記憶された各ガス流量の間の値の場合には、前記各ガス流量に対する前記各温度補正値を補間して、該補間後の温度補正値を前記設定温度に加算するように制御する加熱制御手段と、
   を備えることを特徴とする基板処理装置。
2. 加熱手段が処理室内に収容された基板を設定温度にて加熱し、ガス供給手段が前記処理室内に供給するガス流量を変化させ、各ガス流量ごとに、前記温度検出手段が検出する温度と前記基板の温度との温度差をそれぞれ求め、少なくとも前記各ガス流量とそれぞれの前記温度差とから前記各ガス流量に対する前記設定温度の各温度補正値をそれぞれ求めて加熱制御手段が記憶する工程と、
   前記加熱制御手段が前記ガス供給手段から供給する処理時ガス流量が前記記憶された各ガス流量の値の場合には、該記憶されたガス流量に対する前記温度補正値を前記設定温度に加算し、前記ガス供給手段から供給する処理時ガス流量が前記記憶された各ガス流量の間の値の場合には、前記各ガス流量に対する前記各温度補正値を補間して、該補間後の温度補正値を前記設定温度に加算し、該加算後の設定温度にて前記加熱手段を制御し、基板を処理する工程と、
   を有することを特徴とする基板の製造方法。

Images