JP4426024B2 - 熱処理装置の温度校正方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱処理装置の温度校正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセスにおいて、半導体ウエハ（以下ウエハという）に対して熱処理を行う装置の一つにバッチ処理を行う縦型熱処理装置がある。この装置は、ウエハボートなどと呼ばれている保持具に多数枚のウエハを棚状に保持し、この保持具を縦型の熱処理炉の中に搬入して熱処理例えば酸化処理を行うものである。
【０００３】
ウエハを熱処理する場合ウエハの温度を正確にコントロールする必要があり、例えば酸化処理によりウエハ上に酸化膜を形成する場合、ウエハの温度によって膜厚が左右される。このためヒータの温度コントローラの校正を高精度に行わなければならず、従来は、熱電対を付けたウエハを温度校正すべき熱処理炉内に入れてウエハの温度を測定し、この測定値と温度コントローラの指示値とを合わせ込んで校正を行っていた。また熱電対に代えて、ウエハから放射される輻射光を捉えて光電素子により電気信号に変換し、ウエハの温度を測定する放射型温度計を用いることも検討されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
熱電対付きウエハを温度校正すべき熱処理炉内に入れると、熱電対をなす金属が熱処理炉内に飛散して付着し、付着した金属がプロセスウエハに付着してメタル汚染を引き起こすおそれがある。また放射型温度計を用いる場合には、ウエハ以外の部位からの輻射光も受光部に入るため、放射率の補正が難しいという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は被処理体を汚染するおそれがなく、しかも高い精度で熱処理装置の温度コントローラの校正を行うことができる温度校正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】
本発明の熱処理装置の温度校正方法は以下の工程を含むものである。
ａ．熱電対が設けられた温度測定用の被処理体を第１の熱処理装置内に搬入し、前記熱電対により被処理体の温度を測定しながら温度コントロ−ラを調整して温度を設定し、被処理体を所定の温度まで昇温する工程と、
ｂ．熱処理用の被処理体を前記熱処理装置内に搬入し、温度コントロ−ラを前記ａ．の工程で調整した温度設定値のまま被処理体に対して熱処理を行って薄膜を形成する工程と、ｃ．前記熱処理用の被処理体の薄膜の膜厚を測定する工程と、
ｄ．温度校正を行うべき第２の熱処理装置内に熱処理用の被処理体を搬入し、前記ｂ．の工程で行った熱処理と同じ熱処理を行って被処理体に対して薄膜を形成する工程と、
ｅ．前記ｄ．の工程で得られた薄膜の膜厚を測定し、膜厚が前記ｃ．の工程で測定した膜厚と同じであればそのときの温度コントロ−ラの温度設定値と前記ａ．の工程で測定した被処理体の温度との関係を把握し、膜厚が前記ｃ．の工程で測定した膜厚と同じでなければ同じになるまで温度コントロ−ラを調整して、前記ｄ．の工程を繰り返し行い、同じになったときの温度コントロ−ラの温度設定値と前記ａ．の工程で測定した被処理体の温度との関係を把握する工程
【０００７】
このような温度校正方法によれば、例えば１台の熱処理装置（第１の熱処理装置）についてのみ熱電対を入れればよく、温度校正すべき他の熱処理装置（第２の熱処理装置）については膜厚を媒体として温度コントロ−ラの校正ができるので、熱電対による被処理体に対する金属汚染を防止できる。
【０００８】
また本発明において、ｃ．の工程の後、温度を少し変えてｂ．の工程を行なうと共に被処理体の薄膜の膜厚を測定し、その結果と先に行なったｂ．及びｃ．の工程の結果とに基づいて膜厚変化量と温度変化量との関係を把握する工程を更に含み、ｅ．の工程において、膜厚が同じになるまで温度コントロ−ラを調整するときに前記膜厚変化量と温度変化量との関係を利用して温度コントロ−ラを調整するようにしてもよい。このような方法によれば、膜厚の測定値からあとどのくらい温度コントロ−ラの調整を行なえばよいかを把握できるので、試行錯誤によるよりも調整が容易である。なお本発明は、上記のａ．ｂ．及びｃ．の工程を行なって得られた膜厚と被処理体の温度との関係を示すデ−タに基づいて、請求項１のｄ．及びｅ．の工程を行なう場合も権利範囲に含まれる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る温度校正方法の実施の形態について説明するが、先ずこの実施の形態で用いられる縦型熱処理装置について図１及び図２を参照しながら簡単に述べておく。この装置は縦型熱処理炉１と、保持具であるウエハボート２と、このウエハボート２を昇降させるボートエレベータ３とを備えている。
【００１０】
縦型熱処理炉１は、例えば石英よりなる二重構造の反応管４１、この反応管４１を囲むように設けられた抵抗発熱体などからなる加熱部であるヒータ４２などからなり、反応管４１の底部にはガス供給管４３及び排気管４４が接続されていて、反応管４１の外管４１ａからガス穴４０を介して内管４１ｂの中にガスが流れるようになっている。４５は均熱用容器である。前記ヒータ４２は温度コントローラ５により電力が制御されて加熱されるように構成されている。このヒータ４２は、実際には複数個例えば上、中、下の３段に分割されて、各ヒータ４２毎に温度コントローラ５が設けられており、ウエハボート２に保持されているウエハ群の上部、中央部、下部の温度制御を夫々受け持つようになっている。
【００１１】
ウエハボート２は、例えば天板２１及び底板２２の間に複数の支柱２３を設け、この支柱２３に上下方向に形成された溝にウエハＷの周縁を挿入して保持し、こうして複数のウエハＷを棚状に保持するように構成されている。ウエハボート２は、縦型熱処理炉１の下端の開口部６を開閉する蓋体６１の上に設けられた保温筒６２の上に載置されている。蓋体６１はボートエレベータ３に設けられており、ボートエレベータ３が昇降することにより、熱処理炉１に対してウエハボート２の搬入出が行われる。
【００１２】
次に本発明の実施の形態に係る温度校正方法について述べる。なお説明の便宜上各工程の説明の前に番号（カッコ付き）を付しておく。
【００１３】
（１）先ず熱電対の付いた被処理体であるウエハＷをウエハボート２に保持させて第１の縦型熱処理装置の熱処理炉１内に搬入し、温度コントローラ５によりヒータ４２の加熱量及び温度設定値を調整してウエハＷの温度を校正したい温度に合わせ込む。図３はこの様子を示す説明図であり、３段に分割されたヒータ４２（４２−１〜４２−３）は夫々温度コントローラ５（５−１〜５−３）により加熱量が調整されるようになっている。また各ヒータ４２（４２−１〜４２−３）の加熱領域（加熱受け持ち範囲）にはウエハＷが保持されており、これらウエハＷに付けられている熱電対７０の温度検出値が、対応する温度表示部７（７−１〜７−３）に表示されている。この場合熱電対７０及び温度表示部７により温度測定部が構成される。なお熱電対７０の信号線は、ウエハボート２の底部から蓋体６１を介して熱処理炉１の外に導出されている。各温度コントローラ５（５−１〜５−３）により、対応する加熱領域のウエハＷ温度を調整することができ、例えば校正したいウエハＷの温度が９００℃であるとすれば、温度コントローラ５（５−１〜５−３）の温度設定値を調整して、対応する温度表示部７（７−１〜７−３）の温度表示が９００℃になるようにする。図３では例えば上段の加熱領域の温度コントローラ５−１の温度設定値が、９０２℃（この数値は説明の便宜上の数値である。）のとき、当該加熱領域のウエハＷの温度が９００℃になっていることを表わしている。こうして各加熱領域毎にウエハＷが校正温度（この例では９００℃）になっているときの温度コントローラ５（５−１〜５−３）の温度設定値が分かる。
【００１４】
（２）続いてプロセス(熱処理)用のウエハＷをウエハボート２に搭載して熱処理炉１内に搬入し、各温度コントローラ５（５−１〜５−３）の温度設定値を上述のままにして酸化プロセスを行う。図４の上部はこの様子を模式的に示す図であり、中段の加熱領域に対応する温度コントローラ５−２についてのみ示してあるが、上段及び下段の温度コントローラ５（５−１及び５−３）についても同様に先の温度設定値に設定されている。
【００１５】
図５はプロセスウエハＷに対して酸化プロセスを行う場合の加熱領域の温度に関するレシピの一例であり、例えば３００℃でウエハＷを熱処理炉１内に搬入（ローディング）し、プロセス温度（この例では９００℃）まで昇温し、温度安定後に例えば酸素ガスを熱処理炉１内に供給してウエハＷに対して酸化処理を行い、アニール後に降温する様子を示している。そしてプロセス温度の設定において、各温度コントローラ５（５−１〜５−３）の温度設定値を既述の値にして、ウエハＷのプロセス温度も９００℃に合わせている。
【００１６】
（３）酸化プロセスを行ったウエハＷについては、図４の下部に示すように膜厚測定部８例えばエリプソメータにより酸化膜の膜厚を測定する。なお膜厚の数値は説明の便宜上の数値である。
【００１７】
（４）次にプロセス温度を少し変えて例えば５度変えて同様のレシピにより同じ酸化プロセスを行い、酸化膜の膜厚を測定する。なお同じ酸化プロセスとは、ウエハＷのローディング時の温度、昇温速度等、プロセス温度以外は同じレシピであることを意味している。
【００１８】
（５）こうして前記（３）の工程と（４）の工程との結果に基づいて、即ち９００℃のときの酸化膜の膜厚と、例えば９０５℃のときの酸化膜の膜厚とに基づいて、プロセス温度を１度変化させると膜厚がどれくらい変化するかを表わす膜厚温度係数（膜厚変化量／温度変化量）が分かる。例えば一例としてプロセス温度が９００℃及び９０５℃のときの膜厚が夫々１１０オングストローム及び１１６オングストロームだとすると、膜厚温度係数は（１１６−１１０）／（９０５−９００）＝１．２オングストローム／℃となる。なお図６では説明の便宜上中段のヒータ４２（４２−２）の加熱領域のウエハＷ及び温度コントローラ５（５−２）について記載してあるが、実際には他のヒータ４２（４２−１、４２−３）の加熱領域のウエハＷについても膜厚が測定される。
【００１９】
以上の（１）〜（５）までの工程は例えば縦型熱処理装置のメーカ側で行われる。そして縦型熱処理装置のユーザ側では、例えばプロセス温度９００℃のときの膜厚、プロセスレシピ、膜厚温度係数の情報をメーカ側から受け取って以下のようにして温度校正が行われる。
【００２０】
（６）図６に示すように校正したい第２の縦型熱処理装置にプロセスウエハＷをセットし、当該熱処理装置の温度コントローラを（２）の工程と同じ温度（図３参照）に設定し、同じプロセス(図５参照)を行い、このウエハＷの酸化膜の膜厚を膜厚測定部８で測定する。例えば温度コントローラ５（５−２）の温度設定値を８９８℃に設定した場合、この温度コントローラ５（５−２）が（２）の工程で用いたものと同一物であれば、ウエハＷのプロセス温度は９００℃となるが、異なるものであるため、プロセス温度は９００℃になるとは限らず、従って酸化膜の膜厚も１１０オングストロームにはなるとは限らない。
【００２１】
（７）そこで測定した膜厚と上記の（３）の工程で得られた膜厚との差を求める。ウエハＷのプロセス温度が９００℃であればこの差は零であるが、９００℃でなければ零とはならずある値（膜厚差）になる。一方既にこの酸化膜の膜厚温度係数は分かっているので、膜厚差と膜厚温度係数とに基づいてプロセス温度が９００℃から何度ずれているかが分かり、この温度差分だけ温度コントローラ５（５−２）の温度設定値を調整して再度プロセスを行う。
【００２２】
即ち温度差（温度変化量）＝膜厚差（膜厚変化量）／膜厚温度係数であり、例えば上記の（３）の工程で得られた膜厚よりも２．４オングストローム厚い膜厚であれば、温度差は２．４／１．２＝２であるから、温度コントローラ５（５−２）の温度設定値を２度低くすればよいことになる。そして温度コントローラ５（５−２）の温度設定値を２度低くして、再度プロセスウエハＷに対して同様のレシピでプロセスを行う。
【００２３】
（８）プロセスを行って得られた酸化膜の膜厚が上記の（３）の工程で得られた膜厚と同じになるまで（７）の工程を繰り返し行う。最終的に膜厚が同じになると、酸化膜５について温度校正が行われたことになる。つまり各温度コントローラ５（５−１〜５−３）について、対応加熱領域内のウエハＷが目標温度になるときの温度設定値が分かる。
【００２４】
こうしてウエハ温度と温度コントローラ５の温度設定値との関係を記録し、この関係を基に加熱することによって、ウエハの温度を正確に制御することができる。
【００２５】
上述実施の形態によれば、予め第１の装置内でのウエハの温度を熱電対で検出すると共に、その温度でウエハに対して熱処理である熱酸化プロセスを行って、酸化膜の膜厚を検出し、温度校正を行おうとする第２の装置において、同一のプロセスを行い、酸化膜の膜厚を媒体として温度コントローラ５の温度校正を行っているため、温度校正の対象となる第２の装置の中には熱電対を入れなくて済むので、ウエハに対して熱電対を原因とする金属汚染を避けることができる。
【００２６】
以上において、本発明では熱電対７０及び温度表示部７により構成される温度測定部で例えば９００℃の温度測定値が得られた場合、温度コントローラ５の指示値をそのままにしてプロセスウエハに対して酸化処理を行っているが、例えば温度コントローラ５の指示値を数度調整して例えば５℃だけ小さくして、そのときのウエハの温度が８９５℃であると取扱ってプロセスウエハに対して酸化処理を行い、酸化膜の膜厚を介して８９５℃の温度を他の熱処理装置で実現する場合であっても本発明の権利範囲に含まれるものとする。即ちこの場合も特許請求の範囲のｂ．の工程でいう、温度コントローラを前記ａ．の工程で調整したまま、の状態に対応するものである。
【００２７】
上述の例ではプロセス温度を２点設定して、実際に膜厚温度係数を求めているが、この膜厚温度係数は予め実験により求めた値を用いてもよい。即ち膜厚の成長速度は、一般に下記▲１▼式で表わされ、これを温度Ｔに対して偏微分すると▲２▼式が得られる。
【００２８】
Ｖ＝Ａ・ｅｘｐ（−Ｅ／ＫＴ） …▲１▼
｛∂Ｖ／∂Ｔ｝／Ｖ＝（Ｅ／Ｋ・Ｔ2）*１００［％／℃］ …▲２▼
ただしＶは膜厚の成長速度、Ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｅは活性化エネルギーである。▲２▼式は膜厚温度係数を表わしているので、実験で求めた活性化エネルギー、温度、膜厚を代入すれば、膜厚温度係数の値が求まる。
【００２９】
膜厚温度係数を用いれば、上記の（７）の工程で述べたように温度コントローラ５の温度設定値を容易に目標値に近づけ、合わせ込むことができるが、膜厚温度係数を用いることなく、試行錯誤に温度設定値を調整して膜厚が同じになるようにプロセスを繰り返してもよい。また上述の説明では装置のメーカ側、ユーザ側に分けて一般的なモデルを記載したが、ユーザ側で上記の工程を全て行ってもよい。
【００３０】
更にプロセスとしては酸化処理に限らず、例えばアンモニアとジクロルシランとを用いて窒化膜を成膜する場合など、他の成膜プロセスであってもよい。更にまた最初にウエハの温度を測定する場合には、熱電対を用いることに限ることなく放射温度計などを用いてもよい。なお温度校正の対象となる装置としてはバッチ炉に限らず、１枚ずつ熱処理を行う枚葉式の熱処理装置であってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、被処理体を熱処理するにあたって温度校正すべき熱処理装置の温度コントローラの校正を被処理体の汚染を伴うことなく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の温度校正方法の一実施の形態に用いられる縦型熱処理装置を示す外観図である。
【図２】上記の縦型熱処理装置を示す断面図である。
【図３】実際のウエハの温度測定値と温度コントローラの温度設定値との関係を模式的に示す説明図である。
【図４】温度コントローラの温度設定値をある値に設定してウエハＷに熱酸化プロセスを行い、そのウエハの酸化膜の膜厚を測定する状態を示す説明図である。
【図５】ウエハの温度についてのレシピの一例を示す温度特性図である。
【図６】ウエハ酸化膜の膜厚を測定し、その測定結果と温度コントローラの温度設定値とを対応させている様子を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 縦型熱処理炉
２ ウエハボート
４１ 反応管
４２ ヒータ
Ｗ 半導体ウエハ
５、５−１〜５−３ 温度コントローラ
６１ 蓋体
７、７−１〜７−３ 温度表示部
７０ 熱電対
８ 膜厚測定部

Claims (4)

1. ａ．熱電対が設けられた温度測定用の被処理体を第１の熱処理装置内に搬入し、前記熱電対により被処理体の温度を測定しながら温度コントロ−ラを調整して温度を設定し、被処理体を所定の温度まで昇温する工程と、
   ｂ．熱処理用の被処理体を前記熱処理装置内に搬入し、温度コントロ−ラを前記ａ．の工程で調整した温度設定値のまま被処理体に対して熱処理を行って薄膜を形成する工程と、ｃ．前記熱処理用の被処理体の薄膜の膜厚を測定する工程と、
   ｄ．温度校正を行うべき第２の熱処理装置内に熱処理用の被処理体を搬入し、前記ｂ．の工程で行った熱処理と同じ熱処理を行って被処理体に対して薄膜を形成する工程と、
   ｅ．前記ｄ．の工程で得られた薄膜の膜厚を測定し、膜厚が前記ｃ．の工程で測定した膜厚と同じであればそのときの温度コントロ−ラの温度設定値と前記ａ．の工程で測定した被処理体の温度との関係を把握し、膜厚が前記ｃ．の工程で測定した膜厚と同じでなければ同じになるまで温度コントロ−ラを調整して、前記ｄ．の工程を繰り返し行い、同じになったときの温度コントロ−ラの温度設定値と前記ａ．の工程で測定した被処理体の温度との関係を把握する工程と、を含むことを特徴とする熱処理装置の温度校正方法。
2. 前記ｃ．の工程の後、設定温度を少し変えて前記ｂ．の工程を行なうと共に被処理体の薄膜の膜厚を測定し、その結果と先に行なった前記ｂ．及び前記ｃ．の工程の結果とに基づいて膜厚変化量と温度変化量との関係を把握する工程を更に含み、前記ｅ．の工程において、膜厚が同じになるまで温度コントロ−ラを調整するときに前記膜厚変化量と温度変化量との関係を利用して温度コントロ−ラを調整することを特徴とする請求項１記載の熱処理装置の温度校正方法。
3. 請求項１の前記ａ．、前記ｂ．、及び前記ｃ．の工程を行なって得られた膜厚と被処理体の温度との関係を示すデ−タに基づいて、請求項１の前記ｄ．及び前記ｅ．の工程を行なうことを特徴とする熱処理装置の温度校正方法。
4. 膜厚と被処理体の温度との関係を示すデ−タは、前記ｃ．の工程の後、設定温度を少し変えて前記ｂ．の工程を行なうと共に被処理体の薄膜の膜厚を測定し、その結果と先に行なった前記ｂ．及び前記ｃ．の工程の結果とに基づいて得た膜厚変化量と温度変化量との関係を含み、
   前記ｅ．の工程において、膜厚が同じになるまで温度コントロ−ラを調整するときに前記膜厚変化量と温度変化量との関係を利用して温度コントロ−ラを調整することを特徴とする請求項３記載の熱処理装置の温度校正方法。

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