(57)【要約】【課題】熱酸化膜の形成方法及び熱酸化装置に関し、大気圧が変動した場合にも高い工程能力が得られる熱酸化条件の設定手法を提供する。【解決手段】気圧情報と同一酸化装置１の直前の処理ロットの酸化膜の膜厚結果に基づいて、次の処理ロットに対して酸化処理時間を決定する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気圧情報と同一酸化装置の直前の処理ロットの酸化膜の膜厚結果に基づいて、次の処理ロットに対して酸化処理時間を決定することを特徴とする熱酸化膜の形成方法。
【請求項２】
上記直前の処理ロットの製品が、上記次の処理ロットの製品と同一製品であることを特徴とする請求項１記載の熱酸化膜の形成方法。
【請求項３】
上記直前の処理ロットの製品が、上記次の処理ロットの製品と酸化膜厚の差が１ｎｍ以下異なった製品であることを特徴とする請求項１記載の熱酸化膜の形成方法。
【請求項４】
上記酸化処理時間をＤｎ  とし、Ｄｘ  を予め測定した酸化速度−気圧依存性から算出される酸化時間とし、Ｄｙ  を直前の処理ロットの酸化膜の膜厚結果から算出される酸化時間とし、また、ｍ（＞０）を重み付け係数とした場合に、
Ｄｎ  ＝ｍＤｘ  ＋（１−ｍ）Ｄｙ  
で設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱酸化膜の形成方法。
【請求項５】
気圧情報と同一酸化装置の直前の処理ロットの酸化膜の膜厚結果に基づいて、次の処理ロットに対して酸化処理時間を決定する機能を備えたことを特徴とする熱酸化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱酸化膜の形成方法及び熱酸化装置に関するものであり、特に、大気圧の変動による酸化膜厚の変動を防止するための手法に特徴のある熱酸化膜の形成方法及び熱酸化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程において、熱酸化膜の形成工程は重要な製造工程を構成しているが、従来、拡散炉を用いた熱酸化膜の形成工程においては、常圧で温度及びガス流量を制御し、酸化時間で熱酸化膜の膜厚を決定していた。
【０００３】
しかし、この様な常圧下における熱酸化膜の形成においては、熱酸化膜厚と大気圧の変動の影響を受けることが知られており、時間固定で熱酸化を行った場合には、熱酸化膜厚は大気圧が高くなると厚くなる。
【０００４】
このように、熱酸化膜の膜厚がばらつくと、各種のデバイス特性に影響を与えるという問題があり、したがって、膜厚変動を如何に抑えるかがデバイス特性を維持するための製造上の課題となっている。
【０００５】
特に、フラッシュメモリ構造におけるメモリセル部のトンネル酸化膜や周辺トランジスタのゲート酸化膜等のデバイスのデータ消去特性を左右する薄膜の膜厚が変動すると、データ消去時間がばらつくという問題がある。
因に、トンネル酸化膜の膜厚はデータ消去時間（Ｅｒａｓｅ  Ｔｉｍｅ）に相関があり、膜厚が１Å変動すると約５ｍ秒の変動になる。
【０００６】
そこで、熱酸化膜の膜厚が目標値になるように、気圧情報から酸化時間を算出して熱酸化膜の膜厚の制御を行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、常圧の圧力制御機構（ＡＰＣ：Ａｕｔｏ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）として、気圧計で外気圧をモニターして排気ラインのバルブ開閉度を調整してチャンバー内の圧力を一定にすることも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平０５−０３２５００号公報
【特許文献２】
特開平１０−２２３６２２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の特許文献１は、概念的な手法を提示するだけで、具体的にどの様な手法及び換算式を用いて酸化条件を制御するのかは不明であり、したがって、どの程度の制御性が得られるかは不明である。
【００１０】
また、気圧情報から酸化時間を制御したとしても、統計的プロセス管理手法（ＳＰＣ：Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）における統計量の指標であるＣｐｋが必ずしも十分ではなく、高い工程能力が得られないという問題がある。
【００１１】
また、上記の特許文献２は、それなりの改善効果は期待できるものの、チャンバー内の圧力を精密に一定に制御することは困難であり、また、結果として得られる酸化膜厚は、累積処理ロット数依存性も見られるので、得られる酸化膜厚の制御性が十分ではないという問題がある。
【００１２】
したがって、本発明は、大気圧が変動した場合にも高い工程能力が得られる熱酸化条件の設定手法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、ここで、図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号４は制御装置である。
図１参照
上記目的を達成するため、本発明は、熱酸化膜の形成方法において、気圧情報と同一酸化装置１の直前の処理ロットの酸化膜の膜厚結果に基づいて、次の処理ロットに対して酸化処理時間を決定することを特徴とする。
【００１４】
このように、熱酸化処理において、気圧計２で取得した気圧情報と同一酸化装置１の直前の処理ロットの酸化膜の膜厚結果を用いて酸化処理時間を決定することによって、酸化膜厚の累積処理ロット数依存性を反映した結果を得ることができ、それによって、単に、気圧情報を反映した場合に比べて高い工程能力を得ることができる。
【００１５】
この場合、直前の処理ロットの製品として、次の熱酸化工程の対象となる製品と同一製品を用いることが望ましい。
即ち、同一酸化装置１において、経時的に▲１▼酸化処理Ａ→▲２▼酸化処理Ｂ→▲３▼酸化処理Ａを行った場合、▲３▼酸化処理Ａにおいては、基本的処理条件が同じである▲１▼酸化処理Ａの膜厚結果を用いることによって、ばらつきの少ない酸化処理が可能になる。
【００１６】
或いは、直前の処理ロットの製品が次の熱酸化工程の対象となる製品と酸化膜厚の差が１ｎｍ以下異なった製品である場合には、この処理ロットにおける膜厚結果を用いても良いものである。
即ち、同一酸化装置１において、経時的に▲１▼酸化処理Ａ→▲２▼酸化処理Ｂ→▲３▼酸化処理Ａを行った場合、▲３▼酸化処理Ａにおいて、基本的処理条件が近似している場合には、▲２▼酸化処理Ｂの膜厚結果を用いても良好な結果が得られる。
【００１７】
上記の場合、酸化処理時間をＤｎ  とし、Ｄｘ  を予め測定した酸化速度−気圧依存性から算出される酸化時間とし、Ｄｙ  を直前の処理ロットの酸化膜を膜厚計測装置３によって計測した膜厚結果から算出される酸化時間とし、また、ｍ（＞０）を重み付け係数とした場合に、
Ｄｎ  ＝ｍＤｘ  ＋（１−ｍ）Ｄｙ  
で設定することが望ましい。
【００１８】
特に、重み付け係数ｍを変動した場合に最大の酸化膜厚Ｃｐｋが得られる重み付け係数ｍの値で酸化処理時間Ｄｎ  を決定することが望ましく、それによって、高い工程能力を得ることができる。
【００１９】
また、熱酸化装置としては、気圧情報と同一酸化装置１の直前の処理ロットの酸化膜の膜厚結果に基づいて、次の処理ロットに対して酸化処理時間を決定する機能を備えることが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図４を参照して、本発明の実施の形態の熱酸化方法を説明する。
図２参照
図２は、酸化速度の気圧依存性の説明図であり、ここでは、Ａｒをキャリアガスとし、Ｏ２  とＨＣｌを酸化性ガスをして用いた９５０℃におけるドライ酸化工程の場合の結果を示している。
【００２１】
この場合の各データは、１バッチが装置上で処理開始した時点の直近（１０分以内）の気圧と、処理終了後に測定した膜厚結果と酸化時間から求まる酸化速度との相関をプロットしたものであり、酸化速度は１点が１バッチの膜厚結果の平均値を表している。
【００２２】
なお、気圧データは、酸化のための拡散炉、即ち、熱処理炉の近傍に設置した気圧計で常時、例えば、１０分ごとにその平均値を取るものであり、気圧データと前の膜厚処理結果は制御システムに取り込む。
或いは、気圧データは、拡散炉設備に付設された気圧計がある場合には、その値をモニタすれば良い。
【００２３】
図に示すように、酸化速度Ｒｎ  〔Å／分〕の気圧Ｐｎ  〔ｋＰａ〕に対する依存性は、ａ，ｂを処理装置及び処理条件に起因する係数とすると
2004342805.tif 000003
の１次式で近似することができる。
【００２４】
但し、この近似式における標本相関係数の二乗（Ｒ２  ）は、
Ｒ２  ＝０．５２６１
となり、この近似式に基づいて、気圧情報だけで次の熱酸化処理工程における酸化時間を決定した場合には、上述のようにばらつきが大きくなる。
【００２５】
そこで、本発明においては、単に気圧情報だけではなく、直前の処理ロットの履歴を考慮して、両者を重み付け係数ｍで重み付けして、処理対象となるｎ番目のロットの酸化時間Ｄｎ  を下記の式から決定する。
Ｄｎ  ＝ｍＤｘ  ＋（１−ｍ）Ｄｙ  
【００２６】
ここで、Ｄｘ  は予め測定した酸化速度−気圧依存性から算出される酸化時間、即ち、気圧情報のみから算出した酸化時間であり、狙い膜厚をＴｔｇｔ  とした場合、
Ｄｘ  ＝Ｔｔｇｔ  ／Ｒｎ  ＝Ｔｔｇｔ  ／（ａＰｎ  ＋ｂ）
で表される。
【００２７】
また、Ｄｙ  は直前の処理ロットの酸化膜の膜厚結果から算出される酸化時間であり、Ｒｎ−１  を直近の（ｎ−１）番目のロットから処理結果から算出される酸化速度とした場合、
Ｄｙ  ＝Ｔｔｇｔ  ／Ｒｎ−１  
で表される。
【００２８】
次に、上記のＤｎ  ＝ｍＤｘ  ＋（１−ｍ）Ｄｙ  の式に基づいて、重み付け係数ｍを０．０〜１．０の間で０．０５刻みに変えて、各重み付け係数ｍに対応する酸化時間Ｄｎ  （ｍ）を算出する。
【００２９】
次いで、算出した酸化時間Ｄｎ  （ｍ）に、気圧情報を用いないで処理した場合の実際の酸化速度Ｒａｃｔｕａｌをかけて膜厚Ｔｎ  （＝Ｄｎ  ×Ｒａｃｔｕａｌ）に換算し、この膜厚Ｔｎ  の一定期間のデータ群の平均値Ａｖｅ、標準偏差σから求めたＣｐｋをｍの値０．０５刻みにプロットしたのが図３である。
なお、ｍ＝１の場合が、直前の処理結果を反映させない場合である。
【００３０】
この場合、Ｃｐｋは統計的プロセス管理手法における指標の一つであるＣｐｋは、データ群の平均値をＡｖｅ、標準偏差をσ、データの上限規格値をＵＳＬ（Ｕｐｐｅｒ  Ｓｐｅｃ  Ｌｉｍｉｔ）、下限規格値をＬＳＬ（Ｌｏｗｅｒ  ＳｐｅｃＬｉｍｉｔ）とすると、Ｃｐｋは（ＵＳＬ−Ａｖｅ）／（３×σ）または（Ａｖｅ−ＬＳＬ）／（３×σ）の２つの値の内の低い方の値で定義される。
【００３１】
また、Ｃｐ  ＝（ＵＳＬ−ＬＳＬ）／（６×σ）で表される他の指標Ｃｐ  は、規格の幅とデータのばらつきを比較して潜在的工程能力の指針となっているのに対して、Ｃｐｋはデータの偏り（狙い値からのずれ分）も考慮しているため、実質的工程能力の指針となる。
【００３２】
また、一般に、工程能力の判定基準としては、
（１）Ｃｐ  ，Ｃｐｋ＜１．０の場合には、工程能力不足、即ち、工程能力の改善を要する、
（２）Ｃｐ  ，Ｃｐｋ：１．０〜１．３の場合には、現状での工程管理が必要、
（３）Ｃｐ  ，Ｃｐｋ＞１．３の場合には、工程能力は十分と
判定される。
【００３３】
図３参照
図３においては、ｍ＝０．７においてＣｐｋのピークがあり、Ｃｐｋ（ｍ＝０．７）≒２．４５となり、このｍの値が使用した熱処理装置及び熱処理条件に起因する設定すべき値となり、上の式は、
2004342805.tif 000004
で表される。
【００３４】
このｍ＝０．７において、直前の処理結果を反映させない場合、即ち、ｍ＝１におけるＣｐｋ（ｍ＝１）≒１．８、及び、気圧情報を反映させな従来例におけるＣｐｋ（Ａｃｔｕａｌ）≒１．６に比べても大幅に改善されている。
【００３５】
図４参照
図４は、各熱処理条件における熱酸化膜Ｃｐｋを改めて比較して示した図であり、Ｃｐｋ（Ａｃｔｕａｌ）との比較では５２％の改善、Ｃｐｋ（ｍ＝１）との比較では９％の改善が見られる。
【００３６】
Ｃｐｋは、上述のように、（ＵＳＬ−Ａｖｅ）／（３×σ）または（Ａｖｅ−ＬＳＬ）／（３×σ）の２つの値の内の低い方の値で定義されるため、平均値Ａｖｅが同程度の場合には標準偏差σが小さいほどＣｐｋは大きくなるので、Ｃｐｋが５２％或いは９％改善されるということは、標準偏差σそれに対応するだけ小さくなることを意味し、ばらつきが低下する。
【００３７】
なお、従来の熱酸化工程におけるＣｐｋ（Ａｃｔｕａｌ）及びＣｐｋ（ｍ＝１）も１．３３以上であり、一般的には十分な工程能力を有していると判断されるが、Ｃｐｋはあくまで規格幅に依存する値であり、よりタイトに管理するためには、さらに高い値が必要になり、本発明はそのような要請に応えるものである。
【００３８】
したがって、熱処理装置及び熱処理条件毎に、係数ａ，ｂ及び重み付け係数ｍのパラメータ値を制御システム上に設定することにより、制御システム上で酸化時間を計算させて、拡散炉の処理レシピに設定すれば良い。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、熱酸化をドライ酸化で行っているが、ドライ酸化に限られるものではなく、８００〜１２００℃の塩酸酸化工程、或いは、Ｈ２  とＯ２  を用いたパイロジェニック法によるウエット酸化工程にも適用されるものである。
この場合にも、Ｃｐｋ（Ａｃｔｕａｌ）に比べて２０〜５０％の改善が、また、Ｃｐｋ（ｍ＝１）に比べて２〜１０％の改善が期待できる。
【００４０】
また、上記の実施の形態においては、同じ熱処理装置装置における直前の同じ製品の酸化結果を用いて次の酸化時間を設定しているが、同じ熱酸化装置を用いて異なった製品Ａ，Ｂを順次製造する際に、経時的に▲１▼酸化処理Ａ→▲２▼酸化処理Ｂ→▲３▼酸化処理Ａを行った場合、▲３▼酸化処理Ａにおいては、基本的処理条件が同じである▲１▼酸化処理Ａの膜厚結果を用いれば良い。
なお、この場合、製品処理の運用にもよるが、最大１０日前までの同一条件の処理結果を用いることができるように設定する。
【００４１】
また、製品Ａと製品Ｂの熱酸化工程における酸化膜厚の差が１ｎｍ以下の場合には、基本的処理条件が近似しているので、▲３▼酸化処理Ａにおいて▲２▼酸化処理Ｂにおける膜厚結果を用いても良いものである。
【００４２】
この場合、酸化処理Ａにおける酸化速度をＲＡ  、酸化処理Ｂにおける酸化速度をＲＢ  とすると、
ＲＡ  ＝ａ１  ×Ｐ＋ｂ１  
ＲＢ  ＝ａ２  ×Ｐ＋ｂ２  
の近似式で表されるが、気圧成分Ｐを消去すると、
ＲＢ  ＝（ａ２  ／ａ１  ）ＲＡ  −（ａ２  ／ａ１  ）ｂ１  ＋ｂ２  
が得られる。
この値（ａ２  ／ａ１  ）、−（ａ２  ／ａ１  ）ｂ１  ＋ｂ２  を変換係数として制御システム上に設定することによって、酸化処理Ｂにおける膜厚結果を次の酸化処理Ａに用いることができる。
【００４３】
また、上記の実施の形態においては、酸化時間と膜厚結果を制御システムに取り込んでいるが、工場全体を管理するオペレーションシステムに取り込んでも良く、オペレーションシステムで酸化速度を計算させて、その結果を制御システム上に取り込むようにしても良いものである。
【００４４】
ここで、再び図１を参照して、改めて本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図１参照
（付記１）  気圧情報と同一酸化装置１の直前の処理ロットの酸化膜の膜厚結果に基づいて、次の処理ロットに対して酸化処理時間を決定することを特徴とする熱酸化膜の形成方法。
（付記２）  上記直前の処理ロットの製品が、上記次の処理ロットの製品と同一製品であることを特徴とする付記１記載の熱酸化膜の形成方法。
（付記３）  上記直前の処理ロットの製品が、上記次の処理ロットの製品と酸化膜厚の差が１ｎｍ以下異なった製品であることを特徴とする付記１記載の熱酸化膜の形成方法。
（付記４）  上記酸化処理時間をＤｎ  とし、Ｄｘ  を予め測定した酸化速度−気圧依存性から算出される酸化時間とし、Ｄｙ  を直前の処理ロットの酸化膜の膜厚結果から算出される酸化時間とし、また、ｍ（＞０）を重み付け係数とした場合に、  Ｄｎ  ＝ｍＤｘ  ＋（１−ｍ）Ｄｙ  
で設定することを特徴とする付記１乃至３のいずれか１に記載の熱酸化膜の形成方法。
（付記５）  上記重み付け係数ｍを変動した場合に最大の酸化膜厚Ｃｐｋが得られる重み付け係数ｍの値で酸化処理時間Ｄｎ  を決定することを特徴とする付記４記載の熱酸化膜の形成方法。
（付記６）  気圧情報と同一酸化装置１の直前の処理ロットの酸化膜の膜厚結果に基づいて、次の処理ロットに対して酸化処理時間を決定する機能を備えたことを特徴とする熱酸化装置。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、気圧情報だけではなく、直前の酸化処理工程の膜厚結果も反映して次の熱処理工程における酸化時間を決定しているので、高い工程能力を有する酸化工程を実現することができ、それによって、プロセスの安定性を確保することができ、ひいては、半導体集積回路装置の信頼性の向上或いは製造歩留の向上に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】酸化速度の気圧依存性の説明図である。
【図３】熱酸化膜Ｃｐｋの重み付け係数ｍ依存性の説明図である。
【図４】各熱処理条件における熱酸化膜Ｃｐｋの比較図である。
【符号の説明】
１  酸化装置
２  気圧計
３  膜厚計測装置
４  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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