(57)【要約】【課題】放射温度計の検出面の状態が変化しても、常に安定した温度制御によって熱処理を行うことができるようにして、歩留りのよい半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】ヒータ３によって基板保持板２が加熱され、さらに基板保持板２の表面に載置されている半導体基板１が加熱される。ヒータ３の温度は熱電対１１によって検出され、半導体基板１の温度は、放射温度計１２が基板保持板２の温度を非接触で測定することによって検出される。放射温度計１２の初期状態の測定温度Ｔｃとクリーニング後の測定温度Ｔｃ’との温度差ΔＴを演算し、基準値であるＴｃに対して温度差ΔＴを加算することにより温度補正を行えば、基板保持板２に対して常に安定した温度制御を行うことができる。【選択図】　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板保持板に基板を載置した状態で、前記基板保持板の温度を放射温度計によりモニタしながら前記基板を所望の処理温度に加熱して成膜処理を行う半導体装置の製造方法であって、
前記基板の成膜処理前に加熱手段の温度を所定温度に保って安定させたとき、初期状態の放射温度計が前記基板保持板の温度を初期測定温度Ｔｃとしてモニタするステップと、
前記基板のプロセス処理後に前記加熱手段の温度を前記所定温度に保って安定させたとき、前記放射温度計が前記基板保持板の温度をプロセス経過時測定温度Ｔｃ’としてモニタするステップと、
前記プロセス経過時測定温度Ｔｃ’と前記初期測定温度Ｔｃとの温度差ΔＴ＝Ｔｃ−Ｔｃ’を演算するステップと、
前記放射温度計が測定した前記基板保持板の測定温度に対して、前記温度差ΔＴを加算することで温度補正を行い、前記加熱手段の供給電力量を制御するステップと、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置用の基板に薄膜形成、不純物ドーピング、および表面処理などの成膜処理を行う半導体装置の製造方法に関し、特に、半導体製造装置の炉内を温度制御しながら熱処理を行うことによって基板に成膜処理を施す半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、拡散装置やＣＶＤ装置などのような半導体製造装置によって、半導体基板（半導体ウエーハ）に薄膜形成、不純物ドーピング、および表面処理などの成膜処理を行う場合は、半導体製造装置の炉内温度を適切な温度に維持して熱処理を施しながらプロセス処理を行っている。したがって、炉内の温度制御は、外乱が生じたときの補償や目標温度の変化に対して高い精度で追従ができるように制御が行われている。また、このような半導体製造装置は、半導体基板を安定的に保持したり均一に加熱するための基板保持手段と、この基板保持手段を介してその上に載置されている半導体基板を加熱するためのヒータなど加熱手段とを有し、非接触の放射温度計を用いて基板保持手段の温度をモニタしながら温度制御を行い、半導体基板に一連のプロセス処理を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板保持手段の温度をモニタする放射温度計は、被測定部分に直接接触して温度を測定する熱電対などのような直接温度計と異なり、被測定物体から放射される熱エネルギーを非接触で検出して温度値に換算している。したがって、放射温度計の検出部分が汚れていたりすると、放射熱エネルギーを効率よく検出することができなくなり、結果的に測定温度に誤差が生じて正確な温度を測定することができなくなる。このため、半導体基板を所望の温度に制御して熱処理することができなくなって、半導体基板の薄膜形成、不純物ドーピング、および表面処理などの成膜処理を安定的且つ高品質に実施することができなくなる。つまり、放射温度計の検出面が汚れていたりすると、目標温度で温度制御して熱処理を行うことができなくなり、半導体基板の製品歩留りを低下させる原因となる。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、放射温度計の検出面の状態が変化しても、常に安定した温度制御によって熱処理を行うことができるようにして、製品歩留りのよい半導体装置を製造することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明における半導体装置の製造方法は、基板保持板に基板を載置した状態で、基板保持板（基板保持板）の温度を放射温度計によりモニタしながら基板を所望の処理温度に加熱して成膜処理を行う半導体装置の製造方法であって、基板の成膜処理前に加熱手段の温度を所定温度に保って安定させたとき、初期状態の放射温度計が基板保持板の温度を初期測定温度Ｔｃとしてモニタするステップと、基板のプロセス処理後に加熱手段の温度を前記所定温度に保って安定させたとき、放射温度計が基板保持板の温度をプロセス経過時測定温度Ｔｃ’としてモニタするステップと、プロセス経過時測定温度Ｔｃ’と初期測定温度Ｔｃとの温度差ΔＴ＝Ｔｃ−Ｔｃ’を演算するステップと、放射温度計が測定した基板保持板の測定温度に対して、温度差ΔＴを加算して温度補正を行い、加熱手段の供給電力量を制御するステップとを含むことを特徴とする。
【０００６】
尚、上記のステップにおける基板のプロセス処理後とは、例えば、基板の処理後に行うガスクリーニング後などである。このようなガスクリーニングの前後においては放射温度計の検出面の状態が変化しているので、初期測定温度Ｔｃとプロセス経過時測定温度Ｔｃ’の温度差ΔＴが顕著に表れる。したがって、この温度差ΔＴだけ現在測定した温度に対して加算して温度補正を行えば、ガスクリーニングなどによって放射温度計の検出面の状態が変化しても、測定温度を常に正確な温度としてフィードバックして温度制御を行うことができるので、極めて高精度な温度制御を実現することができる。
【０００７】
つまり、本発明における半導体装置の製造方法によれば、放射温度計の表面状態の変化やその他の経時変化などによって炉内温度や基板保持板の温度を正確に測定することができなくなっても、放射温度計の状態変化前後の温度差分だけ温度補正して温度コントローラで温度制御することにより、結果的に、放射温度計が正確な温度検出を行って温度制御した状態と等価な度制御を行うことができる。したがって、プロセス処理後においても極めて安定した温度制御を行って熱処理を施すことができるので、半導体装置の製品歩留りの向上を図ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明における半導体装置の製造方法に関する実施の形態を詳細に説明する。尚、以下の説明では、基板（例えば半導体基板）を製造する場合の実施の形態について述べる。
図１は、半導体製造装置における半導体基板搬送時の基板処理室の構成図である。また、図２は、半導体製造装置における予備加熱時の基板処理室の構成図である。さらに、図３は、半導体製造装置における半導体基板処理時の基板処理室の構成図である。尚、図１、図２、および図３に示す半導体製造装置は熱ＣＶＤ薄膜形成装置の概略的な構成図を示している。そして、図１は開閉弁９を下降させて（つまり、基板挿入口８を開放して）半導体基板１を基板処理室５０に搬入した状態を示し、図２は開閉弁９を上昇させて（つまり、基板挿入口８を閉鎖して）半導体基板１を予備加熱している状態を示し、さらに、図３は開閉弁９を上昇させて（つまり、基板挿入口８を閉鎖して）半導体基板１を成膜処理している状態を示している。
【０００９】
図１において、半導体製造装置（基板処理装置）３０は半導体基板１を１枚ごとに処理ができるように構成されている。この基板処理装置３０の一面には、半導体基板１を基板処理室５０に搬入するための基板挿入口８と、この基板挿入口８を開閉するための開閉弁９が設けられている。また、基板処理室５０の内部には、搬入された半導体基板１を基板保持板２の表面に対して平行に支持するための石英ピンできた基板支持ピン４が設けられている。
【００１０】
また、基板処理装置３０の内部には、半導体基板１を所望の温度に加熱するための加熱手段であるヒータ３と、成膜処理するときの半導体基板１を保持すると共にヒータ３からの熱を均一化して半導体基板１に伝導するための前記基板保持板（サセプタ）２とによって構成されるヒータユニット２０が設けられている。さらに、ヒータユニット２０は、半導体基板１の搬送時や成膜処理時などの状態に応じて異なる位置に多段階調整できるように昇降機構１０によって支持されている。また、基板処理装置３０の上部には、基板処理室５０に所望のガス種を所望のガス流量およびガス比率で供給するためのガス供給口６と、半導体基板１の処理面にガスを均一に供給するためのガス分散板５が設けられている。また、基板処理装置３０の両側面には、未反応のとき及び反応過程で生成されたガスを排気するための排気口７が設けられている。図２および図３においても構成は同じであるのでその説明は省略する。
【００１１】
次に、図１、図２および図３を用いて上記の構造を有する基板処理装置において半導体基板１に成膜処理を施す過程を説明する。先ず、図１に示すように、半導体基板１は、基板処理室５０の基板挿入口８より外部に通じる図示しない基板搬送室に設けられた搬送機構によって基板処理室５０に搬送され、基板保持板２の面と空間を隔てて平行になるように、石英ピンの基板支持ピン４上に載置される。半導体基板１を基板処理室５０へ挿入し基板支持ピン４上に載置した後は、図示しない搬送室と基板処理室５０との間を隔離するために、開閉弁９によって基板挿入口８が閉じられる。
【００１２】
次に、図２に示すように、基板支持ピン４を降下させて、半導体基板１を基板保持板２の表面近傍まで近づけて半導体基板１を予備加熱する。このとき、基板挿入口８は開閉弁９によって閉じられているので、半導体基板１は短時間で効率よく予備加熱される。
【００１３】
さらに、図３に示すように、ヒータ３と基板保持板（サセプタ）２からなるヒータユニット２０および基板支持ピン４が昇降機構１０によって持ち上げられ、半導体基板１を予備加熱位置から成膜処理位置まで上昇させる。ヒータユニット２０を上昇させる際は、基板支持ピン４上の半導体基板１と基板保持板２の間隔がさらに狭くなり、半導体基板１が成膜処理の位置に到達する前に半導体基板１は基板保持板２の上に密着して載置される。したがって、半導体基板１は、ヒータ３によって加熱される基板保持板２の伝導熱によって加熱されることになる。
【００１４】
図３の成膜処理中における半導体基板１の温度は、半導体基板１の直接の加熱体である基板保持板２の温度を制御することにより、半導体基板１と空間的に隔てられたヒータ３の温度を制御するのに比べて、より高速且つ正確に温度制御が行われる。さらに、半導体基板１を均一に成膜処理するためには、基板保持板２を図示しない回転機構によって回転する。そのため、基板保持板２の温度モニタには、非接触で温度を測定することができる放射温度計（パイロメータ）が用いられる。
【００１５】
次に、図３に示すように、基板処理装置３０の上部のガス供給口６より導入されたガスはガス分散板５によって分散されて、加熱された半導体基板１の処理面に均等に拡散される。これによって、半導体基板１の表面層には、均一に、薄膜形成、不純物ドーピング、表面処理などの成膜処理が施される。
【００１６】
ここで、半導体基板１を熱処理するときの温度検出の方法について説明する。図４は、図３に示す半導体基板処理時の半導体製造装置における温度検出部分の概念図である。図４に示すように、ヒータ３によって基板保持板２が加熱され、さらに、基板保持板２の表面に載置されている半導体基板１が加熱される。このとき、ヒータ３の表面温度は複数の熱電対１１によって検出される。また、半導体基板１の温度は、放射温度計１２が基板保持板２の温度を非接触で測定することによって検出される。そして、熱電対１１の検出温度情報と放射温度計１２の検出温度情報は図示しないカスケード制御ループ系の温度コントローラにフィードバックされ、温度コントローラがヒータ３へ供給する電力量を制御することによって半導体基板１の温度制御が行われる。
【００１７】
図５は、一般のカスケード制御ループ系による温度コントローラの構成図である。通常、図１〜図３に示すような基板処理装置は、図５に示すようなカスケード制御ループを構成した温度コントローラによって温度制御が行われている。カスケード制御ループは、目標温度Ｙと放射温度計１２からの検出温度との偏差を出力する第１の加算器２１と、第１の加算器２１の出力レベルに応じてＰＩＤ（比例、積分、微分）演算し、ヒータ熱電対１１からの検出温度が追従すべき値に制御する第１のＰＩＤ調節部２２と、第１のＰＩＤ調節部２２の出力レベルとヒータ熱電対１１からの検出温度の偏差を出力する第２の加算器２３と、第２の加算器２３の出力レベルに応じてＰＩＤ演算し、ヒータ３へ供給する電力量Ｚを制御する第２のＰＩＤ調節部２４とによって構成されている。このような構成のカスケード制御ループによる温度コントローラによってヒータ３へ供給する電力量Ｚを制御することにより、基板保持板３（つまり、半導体基板１）は目標温度Ｙに精度よく追従するので、半導体基板１を高精度に温度制御することができる。
【００１８】
このようにして温度制御を行って熱処理しながら半導体基板１の成膜処理を施した後は、ヒータユニット２０は再び図１に示すように搬送位置まで降下する。ヒータユニット２０の降下の際は、基板支持ピン４は再び半導体基板１を突き上げ、半導体基板１と基板保持板２との間に半導体基板１を搬送するための空間を作る。そして、半導体基板１は基板挿入口８から搬送機構によって図の左方の図示しない搬送室へ運び出される。
【００１９】
ところで、図５のような温度コントローラによる温度制御において、半導体基板１を所望の温度にするためのヒータ３の温度をＴａとし、ヒータ３を温度Ｔａに保って充分に温度を安定させたとき、基板保持板２の温度をＴｂとし、この基板保持板２を放射温度計１２で測定したときの測定温度をＴｃとする。このとき、放射温度計１２が理想的な状態で温度を正確に測定できるとすれば、基板保持板２の温度Ｔｂは放射温度計１２で測定した測定温度Ｔｃと等しく、Ｔｂ＝Ｔｃである。
【００２０】
しかし、放射温度計１２は半導体基板１のプロセス処理中またはプロセス処理後におけるガスクリーニングなどによって検出面の表面状態が変化して、放射温度計１２が受光する放射エネルギーの受光効率が変わるので、結果的に、放射エネルギーより測定温度Ｔｃを演算するためのパラメータ値が変わってしまう。このため、放射温度計１２がモニタしている温度測定値も変化し、結果的に、基板保持板２を正確な温度で測定することができなくなる。
【００２１】
ここで、ガスクリーニングなどによって放射温度計１２の表面状態が変化したときでも、ヒータ３を所定の温度Ｔａに保ち、十分に温度が安定したときの基板保持板２の温度Ｔｂ’は再現する。つまり、常にＴｂ＝Ｔｂ’となる。しかし、ガスクリーニングなどによって放射温度計１２の表面状態が変化した場合は、放射温度計１２がモニタした測定温度Ｔｃ’は変化してしまい、ガスクリーニング前に放射温度計１２で測定した基板保持板２の測定温度Ｔｃと異なった値となる。つまり、Ｔｃ≠Ｔｃ’となる。よって、放射温度計１２の表面状態の変化前のモニタ温度（測定温度）Ｔｃをフィードバックして図５に示すような温度コントローラが温度制御した場合は、Ｔｃ−Ｔｃ’＝ΔＴの温度差分の誤差が生じた状態で温度制御を行うことになる。この結果、目標温度Ｙに対してΔＴの温度差が生じたまま半導体基板１を熱処理して成膜処理を施すため、半導体基板１の製品歩留りが低下して安定した製品品質レベルを維持することができない。
【００２２】
そこで、本発明による半導体装置の製造方法では、半導体基板１のプロセス処理中またはプロセス処理後におけるクリーニングなどによって放射温度計１２の表面状態が変化して検出温度に誤差が生じた場合は、クリーニング前における基板保持板２の基準温度に対してクリーニング後の検出温度の誤差分を加味して基準温度の温度補正を行う。このような温度補正を行うことにより、高精度な温度制御による熱処理を実現して製品歩留りのよい半導体基板１の製造を行うことができる。言い換えれば、本発明による半導体装置の製造方法は、温度制御モニタである放射温度計の状態変化による測定温度の誤差分を、一定温度を測定することで検出し、この検出値に基づいて補正する。
【００２３】
さらに詳しく述べれば、半導体基板１のプロセス処理の過程においてクリーニングなどを行った後にヒータ３の温度を一定値に保って安定にさせる。そして、このときの放射温度計１２によって測定した基板保持板２の測定温度Ｔｃ’と、クリーニングなどを行う前の初期状態で放射温度計１２が測定した基板保持板２の測定温度Ｔｃとの温度差、つまり、Ｔｃ−Ｔｃ’＝△Ｔを求める。そして、この温度差ΔＴ分の温度を温度コントローラで補正することによって、見掛け上、放射温度計１２はその汚れ等に拘わらず正確な温度を測定したことと同じことになる。
【００２４】
図５を用いて述べれば、放射温度計１２がプロセス終了後に測定した基板保持板２の温度Ｔに対して上記のクリーニング前後の温度差△Ｔを加算し、（△Ｔ＋Ｔ）の値を温度コントローラの第１の加算器２１にフィードバックすれば、放射温度計１２がプロセス処理前の正確な温度を測定した場合と等価な電力量Ｚを第２のＰＩＤ調節部２４よりヒータ３に供給することができる。したがって、プロセス処理（クリーニングなど）によって放射温度計１２の表面状態が変化しても、温度コントローラは、放射温度計１２の表面状態が変化する前の測定温度で半導体保持板２（つまり、半導体基板１）の温度を制御することができる。このような構成を得るために、例えば図７に示すように温度補正部２７を設け、この温度補正部２７により得られる△Ｔを放射温度計１２による測定結果に加算するようにすればよい。
【００２５】
次に、フローチャートを用いて温度補正部２７の動作である、放射温度計１２が測定したモニタ温度の自動補正の流れを説明する。図６は、本発明による半導体装置の製造方法において、放射温度計１２が状態変化する前後のモニタ温度の自動補正の流れを示すフローチャートである。先ず、放射温度計１２のモニタ温度の自動補正の条件を述べる。ヒータ３によって加熱される基板保持板２の温度はヒータ３の温度によって決定される。また、ヒータ３の温度を一定値に制御すれば、放射温度計１２のモニタ温度が変化しても基板保持板２の温度は一定である。さらに、半導体基板１の成膜処理時の熱処理は、応答性の良い放射温度計１２の検出したモニタ温度をフィードバックした温度制御によって行われる。
【００２６】
図６のフローチャートに従って処理の流れを説明すると、先ず、半導体基板１のプロセス処理開始時において、ステップＳ１で、熱電対１１によってヒータ３の温度を測定する。このとき、ヒータ３の中心部、中間部、および外周部の温度を測定し、それぞれの測定温度はＴｈｃ１、Ｔｈｍ１、Ｔｈｏ１とする。さらに、放射温度計１２によって基板保持板２の温度を非接触で測定する。このとき、基板保持板２の中心部、中間部、および外周部の温度を測定し、それぞれの測定温度はＴｐｃ、Ｔｐｍ、Ｔｐｏとする。
【００２７】
次に、ステップＳ２において、プロセス処理中またはプロセス処理後にクリーニングなどのイベントによって放射温度計１２の表面状態が変化すると、ステップＳ３で、熱電対１１によってヒータ３の温度を測定するが、このときヒータ３の温度変化がない。つまり、ヒータ３の中心部、中間部、および外周部の温度は、それぞれ、前回の測定値と同じＴｈｃ１、Ｔｈｍ１、Ｔｈｏ１である。さらに、放射温度計１２によって基板保持板２の温度を非接触で測定する。このとき、放射温度計１２の検出面の状態が変化しているので基板保持板２の測定温度は変化し、基板保持板２の中心部、中間部、および外周部の測定温度は、それぞれＴｐｃ１、Ｔｐｍ１、Ｔｐｏ１である。
【００２８】
そこで、ステップＳ４で、ヒータ３をイベント発生前と同じ温度になるように制御するために、放射温度計補正用レシピを自動的に動作させて、イベント発生前後の放射温度計１２の測定温度の温度差を演算する。そして、ステップＳ５で、放射温度計１２のイベント発生前後の測定温度の温度差として、中心部：ΔＴｃ＝Ｔｐｃ１−Ｔｐｃ、中間部：ΔＴｍ＝Ｔｐｍ１−Ｔｐｍ、外周部：ΔＴｏ＝Ｔｐｏ１−Ｔｐｏを求め、これらの温度差ΔＴｃ／ΔＴｍ／ΔＴｏを温度制御の補正値とする。
【００２９】
次に、ステップＳ６において、先に求めた放射温度計１２の補正値ΔＴｃ／ΔＴｍ／ΔＴｏを用いて、放射温度計１２の現在の（つまり、イベント発生後の）測定値の補正を行う。すなわち、放射温度計１２の現在の測定値は、初期に測定した基準温度に対してステップＳ５で演算した補正値を加算（または減算）した値とし、それぞれ、中心部：Ｔｐｃ’＝Ｔｐｃ＋ΔＴｃ、中間部：Ｔｐｍ’＝Ｔｐｍ＋ΔＴｍ、外周部：Ｔｐｏ’＝Ｔｐｏ＋ΔＴｏとする。そして、このような補正後の補正測定値Ｔｐｃ’／Ｔｐｍ’／Ｔｐｏ’に基づいて、温度コントローラがヒータ３の電力量Ｚを制御して温度制御を行う。これによって、基板保持板２（つまり、半導体基板１）はイベント発生前と同じ温度に制御される。このような温度補正は、半導体基板１のプロセス処理中は繰り返し行われる。
【００３０】
このように、放射温度計１２の検出面が汚れるなど状態が変化しても、初期に測定した基準温度に対して放射温度計の測定温度の誤差分を補正して温度制御を行うことにより、放射温度計１２の測定温度の誤差の大きさに関わらず、常に、正確に温度に基づいて温度制御を行うことができる。
【００３１】
以上述べた実施の形態は本発明を説明するための一例であり、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲で種々の変形が可能である。上記の実施の形態では、半導体基板のプロセス処理後におけるクリーニングなどのイベント発生ごとに温度補正を行う例を述べたが、これに限ることはなく、イベントの発生の有無に関係なく、定期的に上記のような方法によって放射温度計１２の温度補正を行ってもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、放射温度計を用いて温度制御を行う半導体製造装置装置（基板処理装置）において、放射温度計の表面状態の変化やその他の経時変化などによって炉内温度や基板保持板の温度を正確に測定することができなくなっても、放射温度計の状態変化前後の温度差分だけ基準温度に対して温度補正して温度コントローラで温度制御することにより、結果的に、放射温度計が正確な温度検出によって温度制御を行った状態と等価は温度制御を行うことができる。したがって、このような温度補正方法を用いることにより、半導体製造装置のクリーニング前後においても再現性よく温度制御を行うことができるので、半導体基板の製品歩留りの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体製造装置（基板処理装置）における半導体基板搬送時の基板処理室の構成図である。
【図２】半導体製造装置（基板処理装置）における予備加熱時の基板処理室の構成図である。
【図３】半導体製造装置（基板処理装置）における半導体基板処理時の基板処理室の構成図である。
【図４】図３に示す半導体基板処理時の半導体製造装置における温度検出部分の概念図である。
【図５】カスケード制御ループ系による温度コントローラの構成図である。
【図６】本発明による半導体装置の製造方法において、放射温度計が状態変化する前後のモニタ温度の自動補正の流れを示すフローチャートである。
【図７】本発明の温度コントローラの一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１　半導体基板、２　基板保持板、３　ヒータ、４　基板支持ピン、５　ガス分散板、６　ガス供給口、７　排気口、８　基板挿入口、９　開閉弁、１０　昇降機構、１１　熱電対、１２　放射温度計、２０　ヒータユニット、２１　第１の加算器、２２　第１のＰＩＤ調節部、２３　第２の加算器、２４　第２のＰＩＤ調節部、３０　基板処理装置、５０　基板処理室。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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