(57)【要約】作動電圧は、半導体ウェーハを熱処理するための処理法にしたがって、第１および第２の群に供給される。そして、該作動電圧が、所定の下方電圧と所定の上方電圧との間の電圧範囲内の望ましくない電圧であることが判断される。続いて、第１の電圧が、加熱ランプの第1の群に印加され、第２の電圧が、加熱ランプの第２の群に送出される。該第１の電圧は、所定の上方電圧より高く、該第２の電圧は、所定の下方電圧よりも低い。また、該第１および第２の電圧の重み付けされた平均値は、望ましくない電圧に近づく。そして、作動電圧は、作動電圧が所定の上方電圧よりも低い方法にしたがって、加熱ランプのアレイの残りの部分に供給される。
2005520329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理システムにおけるランプ寿命を延ばす方法であって、
半導体ウェーハを熱処理する処理方法にしたがって、加熱ランプのアレイの第１および第２の群に作動電圧を供給するステップと、
前記作動電圧が、所定の下方電圧と所定の上方電圧との間の電圧範囲内の望ましくない電圧であることを判断するステップと、
第１の電圧を前記加熱ランプの第1の群に印加するステップであって、前記第１の電圧が、前記所定の上方電圧より高い、前記ステップと、
第２の電圧を前記加熱ランプの第２の群に送出するステップであって、前記第２の電圧が、前記所定の下方電圧より低い、前記ステップと、
を含み、
前記第１および第２の電圧の重み付けされた平均値が、前記望ましくない電圧に近似する、方法。
【請求項２】
前記供給するステップの前に、
加熱ランプのアレイの中から、前記ランプが、急速な温度上昇のために高電圧で作動する第１の領域と、前記ランプが、均熱温度を維持するためにおよび／または適度な温度上昇に落とすために適切な電圧で作動する第２の領域の両方で作動することを要求される、加熱ランプの部分を識別するステップと、
前記部分を前記第１および第２の群に分けるステップと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記分けるステップが、前記第１および第２の群の加熱ランプを互いに均等に配置することを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記処理方法にしたがって、前記加熱ランプのアレイの残りの部分に前記作動電圧を供給するステップを更に含み、前記作動電圧が、前記高電圧より低い、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記供給するステップの前に、
前記加熱ランプのアレイを設けるステップであって、前記アレイが円形アレイであり、前記第１および第２の群を、前記円形アレイの外側ゾーンを形成する加熱ランプとして識別する、前記ステップと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記上方電圧が、前記第１および第２の群の各ランプの全出力の５５％〜６０％の範囲内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記下方電圧が、前記第１および第２の群の各ランプの全出力の１９％〜３４％の範囲内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記望ましくない電圧が、適度な温度均熱のためにおよび／または適度な温度上昇に落とすために必要な電圧である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記作動電圧が前記下方電圧より低いことを確かめるステップと、
前記作動電圧を前記第１および第２の群に供給するステップと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記作動電圧が前記上方電圧より高いことを確かめるステップと、
前記作動電圧を前記第１および第２の群に供給するステップと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記判断するステップが、前記作動電圧が、前記上方電圧の周囲に導入された下方ヒステリシスバンドの下方ヒステリシス電圧と、前記下方電圧との間の電圧範囲内の前記望ましくない電圧であることを確かめることを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記作動電圧が、前記下方電圧の周囲に導入された下方ヒステリシスバンドの上方ヒステリシス電圧より低いことを確かめるステップと、
前記作動電圧を前記第１および第２の群に供給するステップと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記作動電圧が、前記上方電圧の周囲に導入された上方ヒステリシスバンドの上方ヒステリシス電圧より高いことを確かめるステップと、
前記作動電圧を前記第１および第２の群に供給するステップと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記望ましくない電圧が、前記上方電圧の周囲に導入された上方ヒステリシスバンドの下方ヒステリシス電圧より低いことを確かめるステップと、
前記第１の電圧を、前記加熱ランプの第1の群に印加するステップと、
前記第２の電圧を前記加熱ランプの第２の群に送出するステップと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の群が、各々が異なる下方電圧を有する複数のサブグループに分割される、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
ランプ寿命を延ばす方法であって、
作動電圧を、加熱ランプのアレイの第１および第２の群に供給するステップと、
前記作動電圧が、所定の下方電圧と所定の上方電圧との間の電圧範囲内の望ましくない電圧であることを判断するステップと、
第１の電圧を、前記加熱ランプの第1の群に印加するステップであって、前記第１の電圧が前記所定の上方電圧より高い、前記ステップと、
第２の電圧を、前記加熱ランプの第２の群に送出するステップであって、前記第２の電圧が前記所定の下方電圧よりも低い、前記ステップと、
を含み、
前記第１および第２の電圧の重み付けされた平均値が、前記望ましくない電圧に近似する、方法。
【請求項１７】
熱処理システムにおけるランプ寿命を延ばす方法であって、
半導体ウェーハを熱処理する熱処理法にしたがって、作動電圧をランプに供給するステップと、
前記作動電圧が、所定の下方電圧と所定の上方電圧との間の電圧範囲内にあることを判断するステップと、
前記ランプに、前記所定の上方電圧より高い第１の電圧か、または前記所定の下方電圧より低い第２の電圧のいずれかを送出するステップと、
を含む、方法。
【請求項１８】
ランプ寿命を延ばす方法であって、
作動電圧をランプに供給するステップと、
前記作動電圧が、所定の下方電圧と所定の上方電圧との間の電圧範囲内にあることを判断するステップと、
前記ランプに、前記所定の上方電圧より高い第１の電圧か、または前記所定の下方電圧より低い第２の電圧のいずれかを送出するステップと、
を含む、方法。
【請求項１９】
熱処理システムにおけるランプ寿命を延ばすシステムであって、
加熱ランプのアレイを有する熱処理システムと、
前記加熱ランプのアレイに結合されたコントローラであって：
中央処理ユニットと；
メモリであって、
半導体ウェーハを熱処理する処理法と、
前記加熱ランプのアレイに供給される作動電圧を制御するための作動電圧手順と、
分割ゾーン手順であって、
前記処理法にしたがって、前記加熱ランプのアレイの第１および第２の群に作動電圧を供給する命令と、
前記作動電圧が、所定の下方電圧と所定の上方電圧との間の電圧範囲内の望ましくない電圧であることを判断する命令と、
前記加熱ランプの第1の群に第１の電圧を印加する命令であって、前記第１の電圧が、前記所定の上方電圧よりも高い命令と、
前記加熱ランプの第２の群に第２の電圧を送出する命令であって、前記第２の電圧が、前記所定の下方電圧よりも低い命令とを備える分割ゾーン手順と
を備える、前記メモリと；
を備えるコントローラと、
を備え、
前記第１および第２の電圧の重み付けされた平均値が、前記望ましくない電圧に近似する、システム。
【請求項２０】
前記分割ゾーン手順が、更に、
加熱ランプのアレイの中から、前記ランプが、急速な温度上昇のために高電圧で作動する第１の領域と、前記ランプが、均熱温度を維持するためにおよび／または適度な温度上昇に落とすために適切な電圧で作動する第２の領域の両方で作動することを要求される、加熱ランプの部分を識別する命令と、
前記部分を前記第１および第２の群に分ける命令と、
を備える、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
【発明の分野】
【０００２】
本発明は、一般に、熱処理に関する。より具体的には、本発明は、半導体熱処理システムにおける加熱ランプの信頼性を改善するシステムおよび方法に向けられている。
【関連技術の説明】
【０００３】
個々の半導体または集積回路（ＩＣ）デバイスは、通常、多くの異なるプロセスにより、一枚の半導体ウェーハ上に形成される。これらの多数のプロセスにおいて、熱処理システムは、該ウェーハが多数のＩＣデバイスになるように、様々な化学的および物理的反応が起きるように、該半導体ウェーハを高温に加熱するために使用される。これらの熱処理システムは、一般に、熱源と、熱処理中に該熱源の近くで該半導体ウェーハを保持するウェーハホルダとを含む。
【０００４】
現在の熱処理システムは、所定の熱処理により管理された条件下で、該半導体ウェーハを加熱する。これらの熱処理は、基本的に、該半導体ウェーハが、そこまで加熱されなければならない温度と、該熱処理システムが、該温度に維持される時間とからなる。例えば、熱処理は、該半導体ウェーハを、３０〜１２００℃の明確な温度に加熱して、０〜６０秒の間、各明確な温度で時間を処理する必要がある。
【０００５】
最小限の拡散等のある目的を満たすために、これらの熱処理システムは、各半導体ウェーハが高温にさらされる時間の量を制限しなければならない。これを実現するため、温度傾斜率は、非常に急勾配である場合があり、例えば、上記熱処理システムは、出来るだけ短時間で、高温から低温に変化させる必要があり、逆もまた同様である。
【０００６】
これらの急勾配の温度傾斜率は、瞬時熱プロセス（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ＲＴＰ）の開発につながった。ＲＴＰの間、半導体ウェーハは、該半導体ウェーハの所望のプロセス温度までの急速な温度上昇、および、該半導体ウェーハを、特定のプロセス工程を実施するのに十分な時間、該温度に維持することに対して充分効果的な放射熱源にさらされる。ＲＴＰの場合の典型的な温度傾斜率は、従来の炉の場合の５〜１５℃／分と比較して、２０〜１００℃／秒である。
【０００７】
一般に、ＲＴＰは、熱酸化、化学気相成長（ＣＶＤ）、ウェーハボンディングおよびアニールに用いられる。また、ＲＴＰは、進化した超々ＬＳＩ（ＵＬＳＩ）製造における酸化およびアニール工程に対する選択の技術に急速になりつつある。
【０００８】
ＲＴＰシステムに使用される放射熱源は、一般に、直線状または円形状に配列されたタングステン−ハロゲンまたはアークランプからなる。この配列は、通常、半導体ウェーハの直接上、下、または上下の両方に配置される。また、ＲＴＰシステムは、該半導体ウェーハの全面に温度をより均一に配分するために、該半導体ウェーハを回転させてもよい。
【０００９】
これらのランプは、炉に対して非常に低い熱量を有するため、ウェーハを急速に加熱することができる。また、上記熱源は、遅い温度傾斜下降を要することなく、直ぐにターンオフすることができるため、急速なウェーハ冷却も容易に実現される。該ウェーハのランプ加熱は、プロセスチャンバの熱量影響を最少化し、かつウェーハ温度に対する急速なリアルタイム制御を可能にする。
【００１０】
典型的な従来のＲＴＰシステム１０２の実施例を図１に示す。ＲＴＰシステム１０２は、開位置または非作動位置で示されている。このようなＲＴＰシステム１０２は、加熱ランプ１１０の円形アレイを収容する蓋１０４と、半導体ウェーハ１０６を収容するＲＴＰチャンバ１０８とを備える。これらのアレイは、２００ｍｍ半導体ウェーハの場合、通常、２１１個程のランプを有する。
【００１１】
これらのＲＴＰシステムは、急速な加熱および冷却を可能にするし、該半導体ウェーハの口径全域の温度均一性は、ＲＴＰチャンバ１０８壁部を介した放射性および伝導性熱損失に敏感である。ゆえに、通常、該半導体ウェーハの縁部近傍に現れるウェーハ温度の非均一性を生じる。非均一性は、合金含有量、粒径およびドーパント濃度等の物性を非均一化するため望ましくない。これらの非均一性の物性は、回路要素を劣化させ、半導体ウェーハ１枚あたりのＩＣ素子の歩留まりを低下させる。
【００１２】
これらのウェーハ温度の非均一性を補正するための１つのシステムは、加熱ランプのアレイを、複数の同心リング状に配列された複数の個別に制御された加熱ゾーンに分ける。そのようなシステムの一実施例は、当出願人の米国特許第５，６８９，６１４号明細書に開示されており、該明細書を本願明細書に組み入れる。システム等に組み入れる出願人の設備は、ＲＡＤＩＡＮＣＥ（登録商標）ブランドで販売されている。熱サイクル中の所定回数、外側の加熱ゾーンの温度は、ＲＴＰチャンバ壁部および／またはプロセスキットに対するいかなる熱損失も補正するために、内側の加熱ゾーンよりも高く昇温される。該プロセスキットは、エッジリングおよびサポートシリンダである。ウェーハは、処理中、該エッジリング上に載置される。該エッジリングは、炭化ケイ素で形成され、その存在は、該ウェーハの縁部における熱量を増加させる。
【００１３】
図２は、図１に示すものと同様で、かつ多数の個別に制御される加熱ゾーンを有するＲＴＰシステムの場合の時間の関数としての半導体ウェーハの中心部２０２と縁部２０４との間の温度差のグラフ２００である。熱サイクルの温度係数上昇中に、半導体ウェーハの縁部２０４近傍のゾーンは、該半導体ウェーハの中心部２０２におけるゾーンよりも高温度になる。これに対して、均熱および傾斜下降期間中は、縁部２０４近傍のゾーンは、中心部２０２におけるゾーンよりも冷たくなる。
【００１４】
しかし、これらの内側および外側のゾーンの個々のランプは、異なる速さで劣化する傾向がある。具体的には、マルチゾーン円形ランプアレイのユーザは、該外側ゾーンのランプが、該内側ゾーンのランプよりも低い信頼性を有し、かつより頻繁に故障すること、例えば、該外側ゾーンのランプが、予想よりも短い寿命を有していることを知っている。この故障の増加の原因は、該外側ゾーンのランプが、該ウェーハの縁部近傍の熱損失を補正するために、高温で動作する場合があること以外知られていなかった。実際に、同じ熱サイクルの間検査されたランプは、実際のＩＣ素子製造で使用されるものと同じ故障増加を有していなかった。
【００１５】
図３Ａは、設定量の熱サイクル後の、内側加熱ゾーンからの典型的なタングステン−ハロゲンランプ３００を示す。フィラメント３０２のコイルが均等に離間していることに注意する。これらのタングステン−ハロゲンランプは、ＰＨＩＬＩＰＳ、ＯＳＲＡＭ、ＵＳＨＩＯ社等によって製造されている。対照的に、図３Ｂは、同量の熱サイクル後の実際のＩＣ素子製造からの故障した外側ゾーンのランプ３０４を示す。ここで、フィラメント３０６のコイルは、だれていることが分かる。
【００１６】
だれは、該フィラメントが、重力等の剪断応力の印加に応答して柔軟に変形したときに発生する。一般に、該フィラメントの一次巻きが最初に巻回される。この巻回されたワイヤは、より大きなコイル状に巻回されて、二次巻きを形成する。該コイルに対する応力は、該一次巻きの径と、該二次巻きによって形成されたレバーアームと、該二次巻きの巻数との関数である。クリープは、該コイルの上部で発生し、その場合、該応力は最大になり、下方のコイルが接触して短絡またはアークを生じるまで、該フィラメントをたるませる。これは、「コイルスタッキング」といわれる。このだれの進行は、時間に線形ではなく、かつ故障直前に現れる。だれが一旦、発生すると、該コイルは、互いに接触し、これにより該フィラメントを短絡させて、ランプ３０４を破壊する。これは、ランプ業界において、フィラメントアーク放電またはアークアウトとして知られている。
【００１７】
上述に鑑みて、この予想よりも低いランプの信頼性の原因を識別し、該原因に取り組むシステムおよび方法に対する要求がある。特に、マルチゾーン円形ランプアレイの外側ゾーンに対するランプ寿命を延ばすシステムおよび方法を有することがより好ましい。
【発明の簡潔な概要】
【００１８】
本発明によれば、熱処理システムにおけるランプ寿命を延ばす方法が提供される。最初に、第１および第２の両領域で作動するように要求される加熱ランプの部分が識別される。該加熱ランプは、好ましくは、多数の環状同心ゾーンを有する加熱ランプの円形アレイの一部を形成する。該第１の領域は、該ランプが、早い温度傾斜に対して高電圧（ｈｉｇｈ  ｖｏｌｔａｇｅ；ＶＨ）で作動する領域であり、該第２の領域は、該ランプが、均熱温度を維持するための、および／または温度傾斜を和らげて遅くするための緩和電圧で作動する領域である。そして、該部分は、第１の群と第２の群とに分けられる。作動電圧は、半導体ウェーハを熱処理する方法にしたがって、第１および第２の群に供給される。その後、該作動電圧が、所定の下方電圧（ｌｏｗｅｒ  ｖｏｌｔａｇｅ；ＶＬ）と所定の上方電圧（ｕｐｐｅｒ  ｖｏｌｔａｇｅ；ＶＵ）との間の電圧範囲内において望ましくない電圧であることが判断される。後で、第１の電圧が、加熱ランプの第１の群に印加され、第２の電圧が、加熱ランプの第２の群に送出される。該第１の電圧は、上記所定の上方電圧より大きく、該第２の電圧は、上記所定の下方電圧以下である。また、該第１および第２の電圧の重み付けされた平均値は、望ましくない電圧に近づく。一方、上記作動電圧は、上記方法にしたがって、上記加熱ランプのアレイの残りに供給され、該作動電圧は、高電圧（ＶＨ）以下である。
【００１９】
また、本発明によれば、作動電圧をランプに供給することによりランプ寿命を延ばす方法が提供される。続いて、該作動電圧が、所定の下方電圧と所定の上方電圧との間の範囲にあることが判断された後、該ランプに、該上方電圧より大きい第１の電圧または該所定の下方電圧より小さい第２の電圧のいずれかが送出される。
【００２０】
更に本発明によれば、熱処理システムにおけるランプ寿命を延ばすシステムが提供される。該システムは、加熱ランプのアレイを有する熱処理システムを備える。また、該システムは、該加熱ランプのアレイに結合されたコントローラを備える。該コントローラは、中央処理装置およびメモリを備える。該メモリは、半導体ウェーハを熱処理する方法と、該加熱ランプのアレイに供給される作動電圧を制御する作動電圧手順とを含む。また該メモリは、分割ゾーン手順を含む。これらの分割ゾーン手順は、上記方法にしたがって、該加熱ランプのアレイの上記第１および第２の群に作動電圧を供給する命令と、該作動電圧が、所定の下方電圧と所定の上方電圧との間の電圧範囲内の望ましくない電圧であることを判断するための命令とを備える。該望ましくない電圧は、緩和温度均熱におよび／または温度傾斜を和らげるように遅くするために必要な電圧である。
【００２１】
また、上記分割ゾーン手順は、第１の電圧を、上記加熱ランプの第1の群に印加するための命令と、第２の電圧を、上記加熱ランプの第２の群に供給するための命令とを備える。
【００２２】
したがって、上記の方法およびシステムは、マルチゾーン円形ランプアレイの外側ゾーンランプに対する寿命を延ばすことにより、予想よりも低いランプ信頼性の原因に取り組むものである。
【００２３】
本発明の本質および目的のよりよい理解のために、添付図面と共に解釈して、以下の詳細な説明に対して言及する。
【００２４】
同様の参照数字は、添付図面のうちのいくつかの図にわたって対応する部材を示す。
【発明の詳細な説明】
【００２５】
何故、円形マルチゾーンランプアレイのユーザは、外側ゾーンの加熱ランプの予想以上の故障にあうのかを判断するためにテストを行った。図４は、電圧の関数４０４としての加熱ランプ寿命（熱サイクル）に対するだれ促進テストの結果のグラフ４００である。このテストは、空中ＸＥリフレクタスリーブ内のＲＡＤＩＡＮＣＥ（登録商標）チャンバで使用される基準ランプ（ＥＦ９４０）を有する水冷式の単一のランプ固定具を使用して行った。半導体ウェーハまたはサポートシリンダは使用しなかった。また、７４．７４の電圧飽和を用いた。
【００２６】
このグラフ４００は、加熱ランプのアレイの外側ゾーンにおける報告されたランプ寿命を示す。該外側ゾーンは、図５および図６に関連して以下に詳細に説明する。該外側ゾーンのランプは、通常、２つの領域、すなわち、急速な温度傾斜に必要な、ランプが高電圧（ＶＨ）で作動する第１の領域と、均熱温度を維持するためのおよび／または温度傾斜を緩和するのを遅らせるための緩和電圧でランプが作動する第２の領域との組み合わせで作動する。典型的には、該第１の領域内の１つのランプに供給される電圧は、１つのランプの全出力の約７０％以上であり、該第２の領域内の１つのランプに供給される電圧は、１つのランプの全出力の約２０％〜５０％である。これらの領域単独では全く無害であるが、組み合わせると破局的である。
【００２７】
典型的には、上記外側ゾーンのみが、温度均熱のための緩和電圧が追従する高電圧（ＶＨ）出力を必要とするように、円形加熱アレイの外側ゾーンのみは、これらの両領域で作動する。これは、該外側ゾーンが、ウェーハの縁部において、上記壁部およびプロセスキットに対する通常以上の熱損失をうけるためである。該外側ゾーンのみが、常に上記第１の領域を経験する。
【００２８】
図を見て分かるように、これらの外側ゾーンのランプの寿命は、該ランプが、上記第１および第２の領域の両方で、例えば、高電圧（図示せず）で、および図に示すように、３０〜４５Ｖ等の緩和均熱電圧で作動した場合に、劇的に短くなる。これらのランプの寿命は、一般に、１５０，０００サイクルを越えて良くなる内側ゾーンのランプの寿命と比較して、３０、０００サイクル以下で良くなることが分かっている。この寿命を短縮するメカニズムに対する研究は、まだなされていない。
【００２９】
分かったことは、図３Ｂに関連して説明しただれや起こりうるアークアウトを防ぐために、製造者が、上記フィラメントにカリウムを挿入することである。このカリウムは、該フィラメントが昇温された際の作動中に気泡を形成し、粒子境界の動きを妨げることにより、上記コイルのだれを抑制する。効果的にするためには、該フィラメント内に、多数の小さな気泡の均一な配分が必要である。しかし、上記第１の領域において、カリウムの気泡は、いくつかの大きな気泡に一体化する。ゆえに、気泡がない、該フィラメントのより大きな領域を生じることになる。これらの領域における粒子境界は、だれにつながる応力に応答して自由に移動することができる。
【００３０】
更に、タングステンの酸素溶解度（該フィラメントの主要な化学種）は、温度の低下機能である。そのため、上記第２の領域において、緩和均熱温度（通常、約１１００℃）が急速な温度傾斜上昇後に直接続いた場合、酸素は、タングステン中に拡散する。タングステン中の過飽和状態の酸素は、カリウム気泡内に集まって、カリウム気泡の移動に寄与する。
【００３１】
したがって、上記２つの領域における動作は、だれを著しく促進し、これにより早すぎるランプ故障につながる。そのため、ランプ信頼性を増し、かつ早すぎるランプ故障を減らすためには、該第１および第２の両領域内でのランプ動作を削減またはなくさなければならない。しかし、この解決法は、上記外側ゾーンのランプが、熱処理に必要な熱を生成するために、該第１および第２の両領域で作動する必要がある場合に、問題がある。
【００３２】
図５は、本発明の一実施形態に係る、分割ゾーン制御を用いてランプの信頼性を改善するシステム構造５００の概略図である。熱処理システム５０２は、コントローラ５０４に結合されている。熱処理システム５０２は、ＲＴＰシステム等の、加熱ランプ５０６のアレイから構成されるシステムである。加熱ランプ５０６は、タングステンハロゲン加熱ランプ等の、加熱に使用するランプである。説明を簡単にするために、熱処理システム５０２は、開位置および非作動位置で示し、これにより、半導体ウェーハ５０８が露出している。好ましい実施形態においては、加熱ランプ５０６のアレイは、別々に制御されるゾーンのマルチインプット／マルチアウトプットアレイ状に配置されている。中央の円形ゾーン５１０は、外側ゾーン５１２で終端する連続的な同心環状ゾーンによって囲まれている。使用時には、この外側ゾーン５１２は、半導体ウェーハの縁部近傍に配置される。
【００３３】
コントローラ５０４は、熱処理法にしたがって、各ゾーンに供給される作動電圧を制御する。該作動電圧と該熱処理法に要する温度との間には、直接的な関係があり、例えば、１つのランプに供給される作動電圧の増加は、該ランプの温度を直接的に上昇させ、逆もまた同様である。コントローラ５０４は、好ましくは、少なくとも１つのデータプロセッサまたは中央処理装置（ＣＰＵ）５１６と、メモリ５２２と、モニター、キーボードおよびフロッピーディスク等の入力および出力装置５１８と、ディジタル信号をアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換器５１４と、これらの構成要素を相互接続する少なくとも１つのバス５２０とを含む。
【００３４】
メモリ５２２は、好ましくは、データを処理し、データにアクセスし、データを蓄積し、あるいはデータを検索するためなどの命令を有するＶＸＷＯＲＫＳ、ＬＩＮＵＸまたはＷＩＮＤＯＷＳ等のオペレーティングシステム５２４を含む。また、メモリ５２２は、好ましくは、入力および出力装置５１８と通信するための通信手順５２６と、少なくとも１つの熱処理法５２８と、作動電圧（ＶＯ）手順５３０と、分割ゾーン手順５３２とを含む。
【００３５】
熱処理法５２８は、半導体ウェーハを熱処理する方法であり、基本的には、２つの要素、すなわち、ａ）半導体ウェーハ５０８を、その温度まで加熱しなければならない温度５３６（１）〜（Ｎ）と、ｂ）上記熱処理システムが温度５３６（１）〜（Ｎ）を維持する時間５３４（１）〜（Ｎ）とからなる。例えば、熱処理法は、該半導体ウェーハを、３０〜１２００℃の明確な温度に加熱して、各明確な温度で、０〜６０秒の時間処理することを必要としてもよい。該熱処理法は、半導体ウェーハバッチ間で変更してもよく、そのため、多くの熱処理法を、入力／出力装置５１８を介してメモリ５２２に入れておいてもよい。
【００３６】
作動電圧（ＶＯ）手順５３０は、熱処理法５２８に必要な温度５３６（１）〜（Ｎ）を、Ｄ／Ａ変換器５１４に伝送されるディジタル信号に変換し、該Ｄ／Ａ変換器は、該ディジタル信号を、特定のゾーン内のランプに配分されるアナログ作動電圧に変換する。
【００３７】
分割ゾーン手順５３２は、外側ゾーン５１２内のランプの第１および第２の群に供給される作動電圧を自動的に制御して、ランプ信頼性を向上させる。該分割ゾーン手順の利用のより詳細な説明は、以下に、図６〜図１０に関連して行う。
【００３８】
図６は、図５に示す加熱ランプ５０６の円形アレイの外側ゾーン５１２の概略図である。すでに説明したように、外側ゾーン５１２内のランプは、上記第１および第２の両方の領域で作動するため、外側ゾーン５１２は、上記内側ゾーンよりも故障しやすいことが分かっている。
【００３９】
この信頼性の低下に取り組むため、該外側ゾーン内のランプは、別々に制御される１つまたはこれ以上の群に分けられる。ゆえに、分割ゾーン手順５３２（図５）が、上記第１および第２の両領域内で作動しないように、該外側ゾーン内のいずれかのランプを制御できるようにする。
【００４０】
好ましい実施形態においては、最も外側の同心ゾーン５１２は、加熱ランプの少なくとも２つの群、すなわち、第１の群６０２と第２の群６０４とに分割される。２００ｍｍ口径の半導体ウェーハ５０８（図５）を熱処理するシステムの場合、該第１の群は、好ましくは、４８個のランプを備え、該第２の群は、好ましくは、６６個のランプを備える。該第２の群におけるより多数のランプは、第１の群６０２が、該第２の群よりも概して半導体ウェーハ５０８（図５）の中心により近く、そのため、上記チャンバ壁部を介した熱損失を受けやすくないという事実を補正する。
【００４１】
第１の群６０２および第２の群６０４の各々におけるランプに供給される電圧は、コントローラ５０４内の分割ゾーン手順５３２（図５）によって別々に制御される。また、好ましい実施形態においては、上記第１および第２の群のランプは、いかなる温度の非均一性問題も防ぐために、互いに均等に配置される。上記外側ゾーンは、２つの群に分けられて示されているが、２つ以上の群も用いることができることを認識すべきである。
【００４２】
図７は、本発明の一実施形態に係る、分割ゾーン制御を用いてランプの信頼性を改善する方法のフローチャート７００である。個別に制御され、かつ複数のゾーンに分割された加熱アレイ５０６（図５）が設けられた後、ステップ７０２において、ランプまたはゾーンが、上記第１および第２の両領域で作動するか否かが判断される。典型的には、該第１および第２の両領域で作動する該ランプまたはゾーンは、外側ゾーン５１２（図５）内のランプのみである。しかし、代替の実施形態においては、別の方法で該第１および第２の両領域で作動するいかなるランプも、ランプ信頼性を向上させるために、上記分割ゾーンコントローラによって制御することができる。
【００４３】
あるランプが上記第１および第２の両領域で作動しないことが判断された場合（ステップ７０２のＮｏ）、Ｖｏ手順５３０（図５）は、ステップ７０４において、これらのランプに熱処理法５２８（図５）により、作動電圧（ＶＯ）を供給する。しかし、一部のランプが上記第１および第２の両領域で作動することが判断された場合（ステップ７０２のＹｅｓ）には、該部分のランプは、ステップ７０６において、図６に関連して説明したように、少なくとも第１の群６０２（図６）と第２の群（６０４）とに分離される。好ましい実施形態においては、該第１および第２の群のランプは、すでに説明したように、ステップ７０８において、互いに均等に配置される。
【００４４】
次に、ステップ７１０において、作動電圧が、上記第１の群および第２の群に供給される。その後、ステップ７１２において、該作動電圧が、所定の下方電圧（ＶＬ）と所定の上方電圧（ＶＵ）との間の望ましくない電圧であるか否かが判断される。所定の下方電圧（ＶＬ）および所定の上方電圧（ＶＵ）は、実験により経験的に設定される。好ましい実施形態においては、該上方電圧は、全出力の５５％〜６０％の範囲であり、該下方電圧は、全出力の１９％〜３４％の範囲である。
【００４５】
上記作動電圧が、下方電圧（ＶＬ）と上方電圧（ＶＵ）との間の望ましくない電圧ではないと判断された場合（ステップ７１２のＮｏ）には、上記第１および第２の群は、上記熱処理法にしたがって該作動電圧を受け続ける。
【００４６】
しかし、上記作動電圧が、下方電圧（ＶＬ）と上方電圧（ＶＵ）との間の望ましくない電圧であると判断された場合（ステップ７１２のＹｅｓ）には、ステップ７１４において、分割ゾーン手順５３２（図５）が、第１の電圧を上記第１の群に印加し、ステップ７１６において、第２の電圧を上記第２の群に供給する。該第１の電圧は、常に上方電圧（ＶＵ）より大きく、該第２の電圧は、常に下方電圧（ＶＬ）よりも小さい。また、該第１および第２の電圧の重み付けされた平均値は、下方電圧（ＶＬ）と上方電圧（ＶＵ）との間の電圧範囲内の望ましくない電圧に近づく。
【００４７】
分割ゾーン手順５３２（図５）は、上記熱処理法に要求される、該第１および第２の群に供給することを要求される該作動電圧が、下方電圧（ＶＬ）と上方電圧（ＶＵ）との間の電圧範囲内にないことが判断されるまで、第１の電圧を上記第１の群に印加し続け、かつ第２の電圧を上記第２の群に印加し続ける。このことが判断されると（ステップ７１２のＮｏ）、ステップ７１０において、上記熱処理法に要求され、かつＶＯ手順５３０（図５）により供給される通常の作動電圧が、上記第１および第２の群に供給される。
【００４８】
図８は、時間の関数８０２としての、作動電圧８０４に対する分割ゾーン熱サイクルの例示的なグラフ８００である。このグラフ８００は、所定の下方電圧（ＶＬ）８０８と所定の上方電圧（ＶＵ）８０６との間の電圧範囲８１６内で作動するランプに印加される電圧を示すに過ぎない。また、このグラフ８００は、上記第２の領域内で作動する熱プロセスに関して供給される電圧、例えば、典型的には、１つのランプの全出力の７０％以下の電圧を示すに過ぎない。好ましい実施形態においては、これらのランプは、外側ゾーン５１２（図５）のランプであり、例えば、第１の群６０２（図６）および第２の群６０４（図６）のランプである。
【００４９】
熱処理法５２８（図５）が時刻０から始まると、作動電圧８１８は、略１／２（Ｖ１）の電圧から時刻ｔ１における電圧Ｖ３以上まで増加する。該電圧は、上記熱処理法が、上記外側ゾーンに供給すべきＶＬ８０８以上の電圧を要求する略時刻「ｔｅ」まで変動する。算出された作動電圧８１８が、下方電圧（ＶＬ）８０８と上方電圧（ＶＵ）８０６との間の電圧範囲８１６内の望ましくない電圧である場合には直ぐに、分割ゾーン手順５３２（図５）が、第１の電圧８１０を加熱ランプの第1の群６０２（図６）に印加し、かつ第２の電圧８１２を、加熱ランプの第２の群６０４（図６）に供給する。第１の電圧８１０は、常に上方電圧（ＶＵ）８０６より大きく、また第２の電圧８１２は、常に下方電圧（ＶＬ）８０８よりも小さい。該第１および第２の電圧の重み付けされた平均値８１４は、電圧範囲８１６内の望ましくない電圧に近づき、これにより熱処理法５２８（図５）を満たす。
【００５０】
テストは、下方電圧（ＶＬ）が、ランプの全出力の１９％〜３４％に設定され、および／または上方電圧（ＶＵ）が、ランプの全出力の５５％〜６０％に設定されている分割ゾーンシステムを用いると、ランプの寿命を著しく改善することができることを明らかにした。
【００５１】
移行が、例えば、下方電圧（ＶＬ）および上方電圧（ＶＵ）で起きるときに電圧発振を避けるために、変化が起きる前にスイッチング電圧（ＶＬおよびＶＵ）が遅延しないように、各スイッチング電圧の周囲にヒステリシスバンドが導入される。３％〜１２％のヒステリシスバンドが、発振を防ぐのに有効であることが分かっている。下方ヒステリシスバンド８２０および８２２は、下方電圧８０８の周囲に導入され、上方ヒステリシスバンド８２４および８２６は、上方電圧８０６の周囲に導入される。
【００５２】
例えば、上記熱処理法が、下方電圧（ＶＬ）の直下および直上を変動させる作動電圧を必要とする場合、上記第１および第２の群のランプに供給される電圧は、該作動電圧と、上記第１の電圧または第２の電圧のいずれかとの間で連続的にジャンプする。この状態を避けるため、上方および下方ヒステリシス電圧が、いずれかの移行電圧（ＶＬおよびＶＵ）に対して設定される。例えば、上記作動電圧が下方電圧（ＶＬ）の方へ上昇する場合、上記第１および第２の電圧は、該作動電圧が上方ヒステリシス電圧８２２をまたぐ場合、これぞれ上記第１および第２の群に印加される。逆に、上記熱処理法により規定された望ましくない電圧が下方電圧（ＶＬ）の方へ低下する場合、上記作動電圧は、該望ましくない電圧が下方ヒステリシス電圧８２０をまたぐ場合、上記第１および第２の群に印加される。同様に、上方および下方ヒステリシス電圧８２６および８２４は、上方電圧（ＶＵ）のために設けられている。
【００５３】
上記第１の群に供給される第１の電圧８１０が非常に高い場合には、該第１および第２の電圧の重み付けした平均値８１４が該望ましくない電圧に近づくことができるように、上記第２の群に供給される第２の電圧８１２を、非常に低くしなければならない。しかし、上記第１の電圧が高くて、補正するために、上記第２の電圧を、例えば、作動させるために、５％の該ランプの低い飽和限界以下に下げることを要求される場合があり、該ランプに低電圧を供給することができない。この飽和は、分割電圧コマンド（第１および第２の電圧）の重み付けされた平均値８１４を、非分割コマンドよりも高くして、温度上昇を生じさせた。これに応じて、スリップコントローラ５０４（図５）は、上記システムをスローダウンさせて、温度を低下させ、リミットサイクルを生じさせる。
【００５４】
この問題に対処するために、上記第１の群は、各サブグループが、これ自体の下方電圧（ＶＬ）を有するサブグループに分割される。ゆえに、一度に１つのみのゾーンを分割することにより、５％での低い飽和を防ぐ。例えば、上記第１の群は、第３、第４および第５の群に分割される。その後、３１％〜３７％の電圧で、該第３の群のみに、上記上方電圧よりも高い第１の電圧が供給される。３７％〜４７％の電圧で、上記第３および第４の群に、該上方電圧よりも高い第１の電圧が供給される。最後に、４７％〜５７％の電圧で、上記第３、第４および第５の群に、該上方電圧よりも高い第１の電圧が供給される。これらの電圧の組み合わせの重み付けされた平均値も、上記熱処理法に必要な電圧に近づく。
【００５５】
図９Ａ、図９Ｂおよび図９Ｄは、上記分割ゾーンシステムを用いることなく実行したテストによる、時間の関数としての、加熱ランプの円形アレイの様々なゾーンの温度のグラフである。各ラインは、別々のゾーンを読み取る別々の温度に対するものである。図９Ａは、熱処理法により規定された、３０〜１２００℃の熱サイクルを示す。グラフを見て分かるように、主要な温度上昇は、約２６〜３７秒の間に起きる。図９Ｂは、図９Ａに示すグラフの上方温度移行部の拡大グラフである。グラフを見て分かるように、温度が１１００℃に近づくにつれて、いくつかの小さな温度変動がある。図９Ｄは、図９Ａに示すグラフの下方温度移行部の拡大グラフである。ここでも、温度が５５０℃に近づくにつれて、いくつかの小さな温度変動を観察することができる。
【００５６】
図９Ｃは、図９Ａに示すテストによる、時間の関数としての、加熱ランプの円形アレイの５つの様々なゾーンに供給される作動電圧のグラフである。グラフを見て分かるように、加熱ランプのゾーンのうちの１つに対する電圧は、全出力の約５０％以上まで増加される。この増加した電圧は、１１００℃の均熱温度まで温度を上昇させるのに必要とされる。上記外側ゾーンが、上記チャンバ壁部を介して温度損失を被ったときに、高電圧を要するのはこのゾーン、通常に該外側ゾーンのみである。均熱温度が実現した後、電圧は、この均熱温度を維持するために、約４４％まで低下される。そのため、該外側のゾーンは、上記第１および第２の両領域で作動し、これに伴って時期尚早のランプ故障にあう。
【００５７】
図１０Ｃは、分割ゾーンシステム５００（図５）を用いて行ったテストにおける、時間の関数としての、加熱ランプの円形アレイの様々なゾーンに供給される作動電圧のグラフである。該加熱ランプのアレイの外側ゾーンに供給される電圧は、分割ゾーン手順５３２（図５）によって制御される。グラフを見て分かるように、上記熱処理法が、所定の下方電圧と所定の上方電圧との間の電圧範囲に入るために、ランプの上記外側ゾーンを要するときには、分割ゾーン手順５３２（図５）が、加熱ランプの上記第１の群に第１の電圧を印加し、かつ加熱ランプの上記第２の群に第２の電圧を印加する。このシミュレーションにおいて、上記所定の下方電圧は、全出力の３４％に設定され、また上記上方電圧は、全出力の５５％に設定される。上記第１の電圧は、常に、該所定の上方電圧より高く、また上記第２の電圧は、常に、該所定の下方電圧よりも低い。該第１および第２の電圧の重み付けされた平均値は、電圧範囲内の望ましくない電圧に近づき、これにより上記熱処理法を満たす。
【００５８】
図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｄは、図１０Ｃに示すのと同じテストにおける、時間の関数としての、加熱ランプの円形アレイの様々なゾーンの温度のグラフである。図１０Ａは、図９Ａ〜図９Ｄのテストに用いられる同じ熱処理法によって規定される熱サイクルを示す。グラフを見て分かるように、主要な温度上昇は、約２２秒〜４２秒の間に起きる。図１０Ｂは、図１０Ａに示すグラフの上方温度移行部の拡大グラフである。グラフを見て分かるように、温度が１１００℃に近づくにつれて、いくつかの小さな温度変動がある。これらの変動は、図９Ｂのものより少ない。図１０Ｄは、図１０Ａに示すグラフの下方温度移行部の拡大グラフである。ここでも、温度が５５０℃に近づくにつれて、いくつかの小さな温度変動を観察することができる。これらの変動は、図９Ｄのものよりも少ない。換言すれば、図１０Ａの温度サイクルは、図９Ａの温度サイクルによく一致する。
【００５９】
図９Ａ〜図９Ｄと図１０Ａ〜図１０Ｄとを比較すると、上記分割ゾーンシステムおよび方法が、上記熱処理法により規定される熱サイクルに不利に影響を及ぼさないことが分かる。更に、該分割ゾーン制御システムは、該熱処理法に対して信頼性を維持し、上記第１および第２の両領域での動作からランプを制限し、これによりランプの信頼性を向上させ、個々のランプ寿命を延ばす。
【００６０】
本発明の特定の実施形態の上記の説明は、例証および説明のために示すものである。これらは、包括的にするものではなく、また、開示された正確な形態に対して本発明を限定しようとするものでもなく、上記の教示に鑑みて、明らかに多くの変更例および変形例が可能である。例えば、加熱ランプのアレイは、必ずしも円形状にする必要はない。また、上記分割ゾーン制御方法およびシステムは、ＲＴＰシステムや半導体製造に使用されるその他のシステムにおける加熱ランプだけではなく、どのような加熱ランプとも共に用いることができる。上記実施形態は、本発明の原理およびその実際の用途を最もよく説明するために選択しかつ記載し、これによって当業者が、意図した特定の用途に適するように、本発明および種々の実施形態を種々の変更例と共に最もよく利用できるようにした。更に、上記方法におけるステップの順序は、必ずしも図示の順序で実行する必要はない。本発明の範囲が、請求項およびこれらの等価物によって定義されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】加熱ランプの円形アレイを使用する従来の瞬時熱プロセス（ＲＴＰ）の概略図である。
【図２】図１と同様の従来の熱処理システムの場合の時間の関数としての半導体ウェーハの温度のグラフである。
【図３Ａ】設定量の熱サイクル後の典型的な従来の内側ゾーンタングステン−ハロゲンランプを示す。
【図３Ｂ】図３Ａのランプと同じ量の熱サイクル後の故障した従来の外側ゾーンランプを示す。
【図４】電圧の関数としてのランプ寿命に対するだれ促進テストの結果のグラフである。
【図５】本発明の一実施形態に係る、分割ゾーン制御を用いてランプ信頼性を改善するシステムの該略図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る、加熱ランプの円形アレイの外側ゾーンの概略平面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る、分割ゾーン制御を用いてランプ信頼性を改善する方法のフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態に係る、時間の関数としての動作電圧に対する熱サイクルの例示的なグラフである。
【図９Ａ】分割ゾーンシステムを用いずに実行したテストによる、時間の関数としての加熱ランプの円形アレイの様々なゾーンの温度のグラフである。
【図９Ｂ】分割ゾーンシステムを用いずに実行したテストによる、時間の関数としての加熱ランプの円形アレイの様々なゾーンの温度のグラフである。
【図９Ｃ】図９Ａに示すテストによる、時間の関数としての加熱ランプの円形アレイの様々なゾーンに供給された作動電圧のグラフである。
【図９Ｄ】分割ゾーンシステムを用いずに実行したテストによる、時間の関数としての加熱ランプの円形アレイの様々なゾーンの温度のグラフである。
【図１０Ａ】本発明の一実施形態に係る、分割ゾーンシステムを用いて実行したテストによる、時間の関数としての加熱ランプの円形アレイの様々なゾーンの温度のグラフである。
【図１０Ｂ】本発明の一実施形態に係る、分割ゾーンシステムを用いて実行したテストによる、時間の関数としての加熱ランプの円形アレイの様々なゾーンの温度のグラフである。
【図１０Ｃ】図１０Ａに示すテストによる、時間の関数としての加熱ランプの円形アレイの様々なゾーンに供給された作動電圧のグラフである。
【図１０Ｄ】本発明の一実施形態に係る、分割ゾーンシステムを用いて実行したテストによる、時間の関数としての加熱ランプの円形アレイの様々なゾーンの温度のグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
５００…システムアーキテクチャ、５０２…熱処理装置、５０４…コントローラ、５０６…加熱ランプのアレイ、５０８…半導体ウェーハ、５１２…外側ゾーン、５２２…メモリ。
【図１】
2005520329.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
2005520329.tif 000015
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
2005520329.tif 000017
【図１０Ｃ】
2005520329.tif 000018
【図１０Ｄ】
2005520329.tif 000019
【国際調査報告】
2005520329.tif 000020
2005520329.tif 000021