JP4686887B2 - 成膜方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多数枚の半導体ウエハ（以下ウエハという）に対して一括して成膜処理を行う装置として例えば縦型熱処理装置が知られている。この装置は、図６に示すようにウエハ保持具であるウエハボ−ト９１に多数枚のウエハＷを棚状に保持し、縦型の反応容器９２内に下方側から搬入して下端開口部を塞ぎ、反応容器９２の周囲に設けられたヒ−タ９３によりウエハＷを所定のプロセス温度に加熱しながら処理ガスを供給してウエハＷに対してＣＶＤによる成膜処理を行うものである。
ところで最近にあっては多種多様な半導体デバイスが要求されることから小ロットで多品種のウエハＷに対して熱処理が必要とされる場合がある。このため例えば製品ウエハとしてフル枚数である例えば１５０枚の処理を行う時にウエハボ−ト９１が満載状態になるフルバッチ状態であるとすると、それよりも少ない枚数、例えば１００枚、５０枚あるいは２５枚の製品ウエハをウエハボ−ト９１に搭載して熱処理を行うショ−トバッチモ−ドをレシピの中に持たせることがある。図６に示すウエハＷの搭載状態はショ−トバッチモ−ドに対応するものであり、ウエハＷを下詰めにして上部側を空き領域としている。
【０００３】
このようなショ−トバッチモ−ドを行う場合、不足枚数だけダミ−ウエハを用いてウエハボ−ト９１を満載することはコスト面からは得策ではない。その理由は、ダミ−ウエハが高価であり、繰り返し使用により最終的に廃棄されるため、ランニングコストが高騰するからである。そこで製品ウエハの載置の仕方、ショ−トバッチに対応した圧力調整、少しのダミ−ウエハを用いるといった種々の工夫を行うことにより、ウエハボ−ト９１を満載状態とせずに空き領域を形成しながら均一性の高い熱処理を行うことを検討している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで熱処理雰囲気にさらされる装置部品であるウエハボ−ト９１及び反応容器９２の内壁に薄膜が付着して膜厚が大きくなると、膜剥がれが起こってパ−ティクルが発生するおそれが大きくなるため、製品ウエハの目標膜厚に基づいてウエハボ−ト９１及び反応容器９２の内壁の累積膜厚を予測し、その予測結果に基づいてウエハボ−ト９１及び反応容器９２を洗浄するタイミングを決めるようにしている。しかしながらショ−トバッチでウエハを成膜処理する場合、空き領域においては成膜ガスを消費するウエハが無いため、ウエハボート９１及び反応容器９２における空き領域に位置する部分での成膜速度が、ウエハが載置されている領域に位置する部分の成膜速度よりも大きくなる。このため図６に反応容器９２についてイメ−ジ的に示すように、前者の薄膜９０の累積膜厚が後者の薄膜９０の累積膜厚よりも大きくなってしまう。この結果予め決めた洗浄のタイミングよりも前に反応容器９２を洗浄する必要があり、メンテナンスサイクルが短くなるという課題がある。またウエハボート９１及び反応容器９２における空き領域に位置する部分の累積膜厚を把握できないため、メンテナンスサイクルを予測することが困難である。
【０００５】
本発明は、このような事情のもとになされたものであり、その目的は、保持具に基板を満載せずに空き領域が存在するショ−トバッチモ−ドで基板の成膜処理を行うにあたって、適切なタイミングでメンテナンスを行うことができる技術を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多数の基板を反応容器の長さ方向に配列保持する保持具に基板を満載して反応容器内に搬入し、反応容器内を加熱すると共に反応容器内に処理ガスを供給して基板に成膜処理を行うフルバッチモ−ドと、前記保持具における基板の載置領域の一部に基板を保持させ、残りの載置領域を空き領域とした状態で成膜処理を行うショ−トバッチモ−ドと、を備えた成膜処理装置を用いて成膜処理を行う方法において、
前記空き領域にモニタ−基板を載置してショ−トバッチモ−ドを行う工程と、 この工程の後、前記モニタ−基板の膜厚を測定する工程と、
この工程における膜厚の測定結果に基づいて、空き領域に対応する位置にある装置部品の累積膜厚を予測する工程と、
累積膜厚の予測結果に基づいて、装置部品を洗浄するタイミングを決める工程と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
この発明における「空き領域にモニタ−基板を載置してショ−トバッチモ−ドを行う工程」は、実際に製品ウエハに対して成膜処理を行う前の調整工程に行ってもよいし、あるいは製品ウエハに対して成膜処理を行う工程において行ってもよい。この発明によれば、空き領域に対応する位置にある装置部品（実施の形態では反応容器及びウエハボ−ト４）に付着する膜の累積膜厚を予測することができ、従って適切なタイミングでメンテナンスを行うことができるので、装置部品からの膜剥がれによるパ−ティクル汚染を防止できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の成膜方法を縦型熱処理装置で実施する例を挙げて、発明の実施の形態を説明する。先ず図１及び図２を参照しながら縦型熱処理装置の構成を説明しておくと、この装置は、例えば両端が開口している内管１ａ及び上端が閉塞している外管１ｂからなる例えば石英製の二重管構造の反応管１を備えている。この反応管１内の熱処理雰囲気は制御系から見ると例えば５段のゾ−ンに分割されている。そして反応管１の周囲には例えば抵抗発熱体からなる加熱手段であるヒ−タ２が例えば上下に複数分割例えば５段に分割されており、各段のヒ−タ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅは夫々前記５段のゾ−ンの加熱制御を受け持つように構成されている。
【００１３】
内管１ａ及び外管１ｂは下部側にて筒状のマニホ−ルド３の上に支持され、このマニホ−ルド３には、内管１ａの内側の下部領域に供給口が開口するように複数のガス供給管３１（図では便宜上２本のガス供給管３１ａ，３１ｂを示してある。）が設けられると共に、内管１ａと外管１ｂとの間から排気するように図示しない真空ポンプに一端側が接続された排気管３２が接続されている。この例では内管１ａ、外管１ｂ及びマニホ−ルド３により反応容器が構成される。
【００１４】
更にマニホ−ルド３の下端開口部を塞ぐように蓋体１１が設けられており、この蓋体１１はボ−トエレベ−タ１２の上に設けられている。蓋体１１の上には図示しない駆動部により回転する回転軸１３を介して回転台１４が設けられ、この回転台１４の上には例えば保温筒からなる断熱ユニット１５を介して基板保持具であるウエハボ−ト４が搭載されている。ウエハボ−ト４は、図２に示すように天板４１及び底板４２の間に複数の支柱４３を設けて構成され、多数の基板であるウエハＷを各ウエハＷの周縁を前記支柱４３に形成された保持溝４４に保持することにより棚状に載置できるように構成されている。ウエハボ−ト４は、製品ウエハＷをできるでけ均一な加熱雰囲気に置くためにフルバッチ時には上端側と下端側とにサイドウエハと呼ばれるウエハが載置されると共に処理の状態をモニタ−するモニタ−ウエハも散在して置かれることから、製品ウエハに加えてこれらウエハを見込んだ数の溝が設置され、例えば１５０枚の製品ウエハＷを搭載するものにあっては、１７０枚分の保持溝４４が形成されている。なお図２において３０で示す部位はヒ−タ２を含む加熱炉である。
【００１５】
更に縦型熱処理装置は図１に示すように制御部５を備えている。この制御部５は簡単に一つのブロックで示してあるが、実際にはレシピやパラメ−タの設定などを行うタッチパネルなどの入力操作部、この入力操作部で指定されたプログラムに応じてヒ−タ２（２ａ〜２ｅ）の発熱量、処理ガスの流量、反応管１内の圧力などを制御する各コントロ−ラなどを含んでいる。また後述するようにウエハボ−ト４にウエハを搭載するモ−ドとしてフルバッチモ−ド及びショ−トバッチモ−ドが設定できるようになっており、制御部５はこれらモ−ドに応じた各ゾ−ンの温度設定値をメモリから読み出して、この読み出した値と例えば反応管１の内外に設けた温度検出部の検出値とに基づいて例えばＰＩＤ制御系により各段のヒ−タ２（２ａ〜２ｅ）の発熱量を制御する機能を備えている。
【００１６】
次に、製品ウエハに対して成膜処理を実施する前に行われる調整工程について説明する。上述の縦型熱処理装置では、既述のようにフルバッチモ−ドとショ−トバッチモ−ドとを設定できるようになっており、ここでいうフルバッチモ−ドとは、この例ではウエハボ−ト４に製品ウエハ１５０枚を含むウエハＷを満載した状態である。具体的にはウエハボ−ト４の上段側に６枚のサイドウエハを、また下段側に７枚のサイドウエハを夫々載置すると共に、その間に１５０枚の製品ウエハを搭載し、更にこの製品ウエハ群の中に７枚のモニタ−ウエハを散在させている。これに対してショ−トバッチモ−ドとは、図３に一例を示すように下段側に７枚のサイドウエハＳＷを載置し、その上に例えば１００枚の製品ウエハＰＷを載置し、更にその上に５枚のダミ−ウエハＤＷを載置し、このようにウエハＷ（総括的にウエハを記載する時には「Ｗ」の符号を付すものとする）を下詰めでウエハボ−ト４に搭載するモ−ドであり、これらウエハＷの載置領域よりも上段側は、保持溝４４にウエハＷが載置されない空き領域（未載置領域）となる。
【００１７】
この例では、ショ−トバッチモ−ドの種類として１００枚の製品ウエハＰＷを載置する場合の他、５０枚の製品ウエハＰＷを載置する場合、２５枚の製品ウエハＰＷを載置する場合と３種類用意されている。図４はフルバッチモ−ド時におけるウエハＷの搭載の態様及び各ショ−トバッチ時におけるウエハＷの態様を模式的に示す図であり、いずれの場合も製品ウエハＰＷ群の中に、製品ウエハＰＷに対する処理の状態を評価するためにモニタ−ウエハＭＷを介在させている。またショ−トバッチモ−ドにおいても製品ウエハＰＷ群の中にバッチサイズに応じてモニタ−ウエハＭＷを介在させてあるが、この例では更に製品ウエハＰＷ群における処理ガスの流れの下流側に相当する上方側にダミ−ウエハＤＷを例えば５枚載置して熱処理の均一性を確保している。なお図のエリアの制限から図４において全体の段数（１７０段）とウエハの載置領域の割合は揃えていない。
【００１８】
そしてフルバッチモ−ド及びショ−トバッチモ−ドにおける各ゾ−ンの設定温度を調整する。図４では、実際の製品を得る場合の態様として製品ウエハＰＷを記載してあるが、この温度調整工程では製品ウエハＰＷの代わりにダミ−ウエハＤＷを用いている。この工程では各モ−ドに対応してウエハボ−ト４にウエハＷを搭載し、反応容器内に搬入して実際に製品ウエハに対して行う処理と同じ処理条件で成膜処理（プロセス）を行い、モニタ−ウエハＭＷに成膜された薄膜の膜厚を調べ、その結果に基づいて各ゾ−ンの設定温度、即ち各段のヒ−タ２（２ａ〜２ｅ）の制御系に入力される設定温度などのパラメ−タを調整する。なお成膜処理の一例については、製品ウエハの処理の箇所で記載する。
【００１９】
そしてショ−トバッチモ−ドにおける調整工程では、空き領域にも図４で点線で示すようにモニタ−ウエハＭＷを載置し、このモニタ−ウエハＭＷに成膜された薄膜の膜厚の測定結果と下詰めされたウエハＷ群内つまり製品ウエハＰＷが配置される領域（この場合ダミ−ウエハＤＷが配置されているが）に介在されたモニタ−ウエハＭＷに成膜された薄膜の膜厚の測定結果とに基づいて、空き領域のモニタ−ウエハＭＷの成膜速度が、ウエハＷが下詰めされた領域の成膜速度と同等かまたは小さくなるように、空き領域に対応するゾ−ンの設定温度を調整する。つまりこの設定温度は、フルバッチモ−ド時における当該ヒ−タ２の設定温度よりも小さくなる。この場合、製品ウエハＰＷが配置される領域のモニタ−ウエハＭＷについてウエハ面内の膜厚の均一性、ウエハ間の膜厚の面内均一性を損なわないように温度調整をすることが必要である。また空き領域にモニタ−ウエハＭＷを載置する場合、その数が多すぎると当該モニタ−ウエハＭＷにより処理ガスが消費される量が多くなって、実際のプロセス時における空き領域に対応する反応容器の内壁に付着する薄膜の量が評価しにくくなるので、例えば１個のゾ−ンに１枚のモニタ−ウエハＭＷを配置する。
【００２０】
このようにして決めた各段のヒ−タ２の設定温度の一例を図４に示す。ここで説明の便宜上、製品ウエハＰＷをｎ枚載置してショ−トバッチを行う場合をＬｎと記載することにすると、空き領域のモニタ−ウエハＭＷは、Ｌ１００では上から７段目に載置され、Ｌ５０及びＬ２５ではいずれも上から７段目及び４６段目に載置されている。図４において、ＴＯＰは最上段のゾ−ン、Ｃ−Ｔは上から２段目のゾ−ン、ＣＢは３段目のゾ−ン、Ｃ−Ｂは４段目のゾ−ン、ＢＴＭは５段目のゾ−ンである。ＴＯＰの設定温度はフルバッチモ−ドでは７８０℃であるが、Ｌ１００、Ｌ５０、Ｌ２５では７７５℃と低くなっている。またＣ−Ｔの設定温度はフルバッチモ−ドでは７７０℃であるが、Ｌ５０、Ｌ２５では夫々７６８℃、７６６℃に設定してある。
【００２１】
フルバッチモ−ドの設定温度から分かるように、この例では処理ガスの流れ方向の上流側から下流側にいくに従ってつまりウエハボ−ト４３の下から上にいくに従ってプロセス温度７７０℃を中心として次第に温度が高くなるように傾斜をつけたいわゆるチルト温度制御を行うようにしている。このようにすることによってウエハＷ間の膜厚の均一性が高くなる。
【００２２】
次に上述の縦型熱処理装置を用いて製品ウエハに対して成膜処理を行う様子について述べる。先ずバッチサイズのモ−ド、例えば図４に示したフルバッチ、Ｌ１００、Ｌ５０、Ｌ２５の中から選択したモ−ドを制御部５に入力し、このモ−ドに応じてウエハボ−ト４に図示しない搬送ア−ムからウエハが移載される。ウエハの配列の状態は図４に記載した通りであるが、ショ−トバッチモ−ド（Ｌ１００、Ｌ５０、Ｌ２５）においては、空き領域にモニタ−ウエハＭＷは配置されない。そしてボ−トエレベ−タ１２を上昇させてウエハボ−ト４を反応容器内に搬入し、各ゾ−ンの設定温度を図４に示した値まで所定の昇温速度で大きくする。反応容器内の各ゾ−ンの温度が目標温度に安定した後、ガス供給管３１（３１ａ，３１ｂ）から所定の処理ガス、例えばジクロルシランガス及びアンモニアガスを所定の流量で供給し、更に不活性ガスとして窒素ガスを所定の流量で供給する。これら処理ガスはウエハボ−ト４の下から上昇し、内管１ａで折り返して内管１ａ及び外管１ｂの隙間を通って排気管３２から排気され、反応容器内は図示しない真空ポンプで真空排気されることにより所定の真空度に維持される。このときウエハボ−ト４は鉛直軸まわりに回転し、ジクロルシランガス及びアンモニアガスが反応してその反応生成物である窒化シリコン膜がウエハＷ上に堆積して成膜処理が行われる。
【００２３】
上述実施の形態によれば、ショ−トバッチモ−ドを行うにあたって予め空き領域にモニタ−ウエハＭＷを配置し、当該モニタ−ウエハＭＷの膜厚を測定してその膜厚（成膜速度）が製品ウエハＰＷの載置領域に置いたウエハＷの膜厚（成膜速度）と同等になるように空き領域の設定温度を調整している。空き領域ではウエハＷを満載した場合に比べてウエハＷが存在しない分だけ装置部品に、この例では反応容器及びウエハボ−ト４に膜が多く付着するが、このように設定温度を調整することにより空き領域とウエハＷの載置領域とにおける反応容器及びウエハボ−ト４の累積膜厚が揃うため、メンテナンスサイクル（洗浄サイクル）が短くなることを抑えることができる。
【００２４】
以上においてショ−トバッチモ−ドは、ウエハＷをウエハボ−ト４に上述のように下詰め配置する場合に限られず、図５（ａ）に示すようにウエハＷをウエハボ−ト４に上詰配置して下側を空き領域とする場合であってもよいし、あるいは図５（ｂ）に示すようにウエハＷをウエハボ−ト４の中央部に寄せてその上側及び下側を空き領域とする場合であってもよい。
【００２５】
また本発明は、空き領域に配置したモニタ−ウエハＭＷの膜厚の測定結果に基づいて、上述実施の形態のように設定温度を調整せずに、空き領域に対応する位置にある反応容器及びウエハボ−ト４の累積膜厚を予測するだけの手法も権利範囲に含まれるものである。更に空き領域の設定温度の調整は、空き領域のモニタ−ウエハＭＷの成膜速度が製品ウエハＰＷの載置領域に置いたウエハＷの成膜速度よりも小さくなるようしてもよい。更にまた温度調整工程だけでなく、製品ウエハＰＷに対してプロセスを行う場合においても空き領域にモニタ−ウエハＭＷを配置してその膜厚をモニタ−してもよい。なお本発明は、縦型熱処理装置に限らず横型熱処理装置にも適用できる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、基板保持具に基板の最大搭載枚数よりも少ない枚数の基板を搭載するショ−トバッチにより成膜処理を行うにあたって、空き領域にモニタ−ウエハＭＷを配置して膜厚を測定しているので、空き領域に対応する位置にある装置部品（実施の形態では反応容器及びウエハボ−ト４）に付着する膜の累積膜厚を予測することができ、従って適切なタイミングでメンテナンスを行うことができるので、装置部品からの膜剥がれによるパ−ティクル汚染を防止できる。また前記モニタ−ウエハＭＷの膜厚の測定結果に基づいて、当該モニタ−ウエハＭＷの成膜速度が製品ウエハＰＷの載置領域に置いたウエハＷの成膜速度と同等あるいはそれよりも小さくなるように空き領域の設定温度を調整しているため、メンテナンスサイクルが短くなることを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に用いられる縦型熱処理装置を示す縦断側面図である。
【図２】上記の縦型熱処理装置を示す概観図である。
【図３】ショ−トバッチモ−ドにおけるウエハの載置の態様の一例を示す側面図である。
【図４】フルバッチモ−ド及びショ−トバッチモ−ドにおけるウエハの載置の態様と反応容器内のゾ−ンの設定温度とを対応づけて示す説明図である。
【図５】ショ−トバッチモ−ドにおけるウエハの載置の態様の他の例を示す説明図である。
【図６】従来の手法でショ−トバッチモ−ドにより成膜処理した場合の反応容器の内壁の薄膜の付着の様子を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 反応管
１１ 蓋体
２（２ａ〜２ｅ） ヒ−タ
３ マニホ−ルド
３１ ガス供給管
３２ 排気管
４ ウエハボ−ト
４４ 保持溝
５ 制御部
Ｗ ウエハ
ＰＷ 製品ウエハ
ＭＷ モニタウエハ
ＤＷ ダミ−ウエハ

Claims (1)

1. 多数の基板を反応容器の長さ方向に配列保持する保持具に基板を満載して反応容器内に搬入し、反応容器内を加熱すると共に反応容器内に処理ガスを供給して基板に成膜処理を行うフルバッチモ−ドと、前記保持具における基板の載置領域の一部に基板を保持させ、残りの載置領域を空き領域とした状態で成膜処理を行うショ−トバッチモ−ドと、を備えた成膜処理装置を用いて成膜処理を行う方法において、
   空き領域にモニタ−基板を載置してショ−トバッチモ−ドを行う工程と、
   この工程の後、前記モニタ−基板の膜厚を測定する工程と、
   この工程における膜厚の測定結果に基づいて、空き領域に対応する位置にある装置部品の累積膜厚を予測する工程と、
   累積膜厚の予測結果に基づいて、装置部品を洗浄するタイミングを決める工程と、を含むことを特徴とする成膜方法。

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