(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハが収納される反応容器の外部の温度変化に応答する内部の温度変化と前記反応容器の内壁又は前記半導体ウェーハの膜の厚さの関係を予め取得し、前記反応容器の外部の温度変化に対する前記反応容器の内部の温度変化に基づく応答を測定することによって、前記反応容器の内壁又は前記半導体ウェーハ上の膜の厚さを求める工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記反応容器の外部の温度変化率が１０℃／分以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記膜の厚さに応じて、前記反応容器への成膜ガスの導入又は前記反応容器の加熱を停止する工程を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記膜の厚さに応じて、前記反応容器の内壁に堆積した膜を除去する工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の半導体装置製造方法。
【請求項５】
前記膜の厚さを求める工程は、前記温度変化をオンラインによってシステムに送信する工程と、前記システムが前記温度変化を用いて演算する工程とを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記膜が半導体であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか記載の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】
本発明は材料ガスを熱分解して半導体基板上に所定の膜を成膜する半導体装置の製造方法に関し、特に、ＣＶＤ装置を用いて行われる成膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣやＬＳＩなどの半導体装置の製造においてＰｏｌｙＳｉ（ポリシリコン）膜やＷ（タングステン）等の導電膜は、減圧ＣＶＤ法で形成されている。例として、図１にＰｏｌｙＳｉを成膜する減圧ＣＶＤ装置の概略を示す。５０枚から１５０枚の半導体ウェーハ（以下、ウェーハという）１１がボート１２にセットされ、石英チューブ１３内に導入される。石英チューブ１３外にはウェーハ１１を加熱するヒーター１４が置かれ、石英チューブ１３の壁を通してウェーハ１１が６００℃に加熱される。石英チューブ内は、ポンプ１５により引かれ減圧状態になり、成膜ガスのＳｉＨ4 がノズル１６からマスフローコントローラ（以下、ＭＦＣという）１７やバルブ１８を通して管内に導入される。石英チューブ１３は、内部に石英インナーチューブ１１３が設置されており、ガスは、インナーチューブ１１３の内側を通り、その後インナーチューブ１１３と石英チューブ１３の隙間を通って排気される。石英チューブ１３内は、圧力計１９の指示値に基づきメインバルブ（以下、ＭＶという）１１０の開度の調整により０．５ｔｏｒｒに保たれる。ウェーハ１１の温度はヒーター１４の内側に設置された外部熱電対１１１（図中では測定点３点）と石英チューブ１３内に設置された内部熱電対１１２（図中では測定点３点）により測定された温度に基づいてコントロールされる。これにより、ＳｉＨ4 がウェーハ１１上で熱分解し、ウェーハ１１上にＰｏｌｙＳｉが堆積される。
【０００３】
このとき石英チューブ１３の内壁は、ウェーハ１１と同様に温度が上がっており、内壁上にＰｏｌｙＳｉ膜が堆積する。しかしながら石英チューブ１３の内壁の温度は、石英がヒーター１４からの輻射熱に対し半透明であるため正確に測定できない。このためＰｏｌｙＳｉ膜がどの程度堆積したかは明確には判らない。また、ＰｏｌｙＳｉ膜は１μｍ以下の場合半透明であり赤外線を透過する特性を有する。従って、石英チューブ１３の内壁に堆積したＰｏｌｙＳｉの膜厚が増加すると、ウェーハ１１の受ける輻射熱が変化し、これに伴ってウェーハ１１の温度も変化する。この状態では製品への均一な成膜を行うことができない。従来は、この現象を避けるため、石英チューブ１３に堆積したＰｏｌｙＳｉをガスまたは薬液でエッチングして除去した後、石英チューブ１３の内壁にあらかじめ０．３μｍ以上、典型的には０．５μｍ程度のＰｏｌｙＳｉ膜を堆積し、その後成膜条件の確認のための試験成膜を行い、その後に製品の処理を開始している。このため製品を処理する前にＰｏｌｙＳｉを堆積する工程が必要であり装置の稼働率が低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の半導体装置の製造方法は、成膜の安定性を確保するために、石英チューブ１３内に堆積されるＰｏｌｙＳｉ膜の厚さが、成膜時に１μｍ以上となるよう予め石英チューブ１３内に所定厚さのＰｏｌｙＳｉ膜を堆積する工程を実施しなければならず、装置の稼働率が低下していた。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、予め石英チューブ１３内にＰｏｌｙＳｉ膜を堆積する工程を省略しても成膜の安定性が確保される半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、半導体ウェーハが収納される反応容器の外部の温度変化と、この温度変化に応答した前記反応容器の内部の温度変化を比較し、前記反応容器の内壁または前記半導体ウェハ上の膜の厚さを求める工程を有することを特徴としている。石英チューブ外部のヒータ温度の過渡的変化と、それに対する容器内部の温度変化の対応を測定し、石英チューブ内に堆積する膜の厚さをｉｎ−ｓｉｔｕでモニターするので、石英チューブ内に予めＰｏｌｙＳｉ膜を堆積する工程を省略できるとともに成膜の安定性も向上する。
【０００６】
すなわち、本発明の装置の製造方法は、半導体ウェーハが収納される反応容器の外部の温度変化に応答する内部の温度変化と前記反応容器の内壁又は前記半導体ウェーハの膜の厚さの関係を予め取得し、前記反応容器の外部の温度変化に対する前記反応容器の内部の温度変化に基づく応答を測定することによって、前記反応容器の内壁又は前記半導体ウェーハ上の膜の厚さを求める工程を有することを特徴としている。前記反応容器の外部の温度変化率が１０℃／分以上であるようにしても良い。前記膜の厚さに応じて、前記反応容器への成膜ガスの導入又は前記反応容器の加熱を停止する工程を有するようにしても良い。前記膜の厚さに応じて、前記反応容器の内壁に堆積した膜を除去する工程を有するようにしても良い。前記膜の厚さを求める工程は、前記温度変化をオンラインによってシステムに送信する工程と、前記システムが前記温度変化を用いて演算する工程とを有するようにしても良い。前記膜が半導体であるようにしても良い。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。尚、説明に際しては、従来技術として説明した図１の減圧ＣＶＤ装置を用いた場合を実施例にしてるので減圧ＣＶＤ装置の説明として重複するものは説明を省略する。
まず、図１乃至図７を参照して第１の実施例を説明する。
図１の減圧ＣＶＤ装置を用いて本実施例を行う場合を簡単なモデルで説明するために、図１のヒータ１４とウェハ１１間の構成のみを図２の通り抽出する。図２は、石英チューブの外側、内側の温度考察のための減圧ＣＶＤ装置の拡大図である。ヒーター２１から出た輻射熱は、石英チューブの壁２３と壁の内壁に堆積したＰｏｌｙＳｉ膜２４を通過して、ウェーハ２６を加熱する。この時ヒーター２１の近傍の温度は、外側熱電対２２によって測定される。また、ウェーハ２６の近傍の温度は、内側熱電対２５によって測定される。ヒーター２１から出た輻射熱は、石英チューブ２３の表面で若干反射されることと、内壁に堆積しているＰｏｌｙＳｉ膜２４に吸収されるためウェーハ２６に到達する輻射熱は減少する。図３に石英チューブ２３の厚さが１ｃｍの場合、ＰｏｌｙＳｉ膜２４の厚さによって光の透過率がどのようになるか計算した結果を示す。
【０００８】
ＰｏｌｙＳｉ膜２４の厚さが１００ｎｍまでは急激に透過率は低下し、それより厚くなると透過率は、干渉によって振動しながら減少してゆく。膜厚が１０００ｎｍ以上では透過率は０．１以下になりＰｏｌｙＳｉ膜２４で反射される部分と吸収される部分の量が多くなる。実際の減圧ＣＶＤ装置ではＰｏｌｙＳｉ膜の温度が徐々に上がるため、そこからの２次輻射熱でウェーハが加熱される。ところがＰｏｌｙＳｉ膜の温度が上がり２次輻射でウェーハ２６が加熱される過程で時間的な遅れが生じるため、図２の構成ではヒーター２１の温度を急激に上げた場合にはウェーハ２６の温度はそれに追随せず、ヒーター２１近傍での温度変化率（昇温速度または降温速度）に比べ、ウェーハ２６近傍での温度変化率は小さくなり、特に温度変化率が大きい場合にこの差が大きくなる。図４に実際に減圧ＣＶＤ装置で実験した結果を示す。図４は、図２の構成に示す石英チューブ２３の壁にＰｏｌｙＳｉ膜２４が堆積していない場合であるが、ヒーター２１の入力電力を２０秒のところで大きくし、すぐに元の入力電力にもどした場合の外側熱電対２２の指示温度と内側熱電対２５の指示温度を示している。内側熱電対２５の温度変化はほぼ外側熱電対２２の温度変化と同じである。
【０００９】
次に、石英チューブ２３の内壁にＰｏｌｙＳｉ膜２４が１０００ｎｍ堆積した場合の外側熱電対２２の指示温度と内側熱電対２５の指示温度を図５に示す。ヒーターの入力電力をやはり２０秒のところで２秒間大きくしている。この時の温度変化率は、約１００℃／ｍｉｎである。このため外側熱電対２２の温度は大きく変化しているが、内側熱電対２５の温度変化は小さい。これは、ＰｏｌｙＳｉ膜２４によるヒーターの輻射熱の遮蔽効果による。このような実験の結果をまとめたものを図６に示す。石英チューブ２３の外側の温度変化率が大きいほど内側の温度変化率のＰｏｌｙＳｉ膜２４の膜厚依存性が大きいことがわかる。外側の温度変化率に対する内側の温度変化率の割合とＰｏｌｙＳｉ膜２４の厚さの関係を外側の温度変化率が１００℃／ｍｉｎの場合について図７に示す。図３に示した結果と同じ様な結果が得られた。あらかじめこの結果を求めておき、その関係を用いると、ＰｏｌｙＳｉ膜２４の厚さが１０００ｎｍ以下では外部の温度を短時間変動した場合の内部温度の応答を測定することにより、ＰｏｌｙＳｉ膜２４の厚さがわかる。
【００１０】
さらに、あらかじめ石英チューブ２３に堆積するＰｏｌｙＳｉ膜厚とウェーハ上に堆積するＰｏｌｙＳｉ膜厚の関係を調べておくことにより、ウェーハ上に堆積したＰｏｌｙＳｉ膜厚もわかる。従って製品の成膜を行った場合でもウェーハ上に堆積する膜厚がわかるため製品の処理時のモニターとして使うことができ、石英チューブ２３を洗浄した後に、余計な成膜工程を必要とせずに製品の成膜を行うことができるため、減圧ＣＶＤ装置の稼働率が向上する。
この実施例では内側熱電対２２は、石英チューブ２３の中で露出した状態で説明したが、細い石英管の中に内側熱電対２２を挿入する形態では、２層の石英で囲まれていることになり、この場合の透過率はそれぞれの透過率を乗算することで求まる。また、図１に示したような石英インナーチューブ１１３を有する２重管の場合は、ＰｏｌｙＳｉ層の厚さが約３倍になると考えて良い。
【００１１】
図１の構造において、内側熱電対１１２の応答が小さくなる場合は内側熱電対１１２の設置位置を石英チューブ１３と石英インナーチューブ１１３の間に変更しても良い。また、温度は６００℃で説明したが、他の温度でも同じことが成り立つため、予め石英チューブ１３の外側の温度変化率に対する内側の温度変化率の関係と、石英チューブ１３内壁上とウェーハ１１上のＰｏｌｙＳｉ膜の膜厚の関係を把握しておけば、所望の熱処理温度においても、温度変化率からＰｏｌｙＳｉ膜の膜厚を導き出すことができる。また、この実施例では成膜中に温度の変化率の測定を行ったが、成膜後同様のことを行っても堆積したＰｏｌｙＳｉ膜厚がわかる。
【００１２】
次に、図１、図２及び図７を参照して第２の実施例を説明する。
前述した第１の実施例では、図２において、石英チューブ２３外側の温度変化率に対する内側の温度変化率の割合とＰｏｌｙＳｉ２４膜の膜厚との関係をあらかじめ求めた石英チューブ２３上のＰｏｌｙＳｉ膜２４の膜厚とウェーハ上のＰｏｌｙＳｉ膜の厚さの関係からウェーハ上に成膜されるＰｏｌｙＳｉ膜の膜厚を求める方法を説明した。この実施例ではＰｏｌｙＳｉ膜２４が石英チューブ２３上に堆積して無い状態から成膜を開始する場合について述べる。
石英チューブ２３外側の温度変化率と内側の温度変化率の割合は図７に示すように振動しており、ある割合でのＰｏｌｙＳｉ膜の膜厚は一義的には決められない。しかし、ＰｏｌｙＳｉ膜２４の堆積が無い状態から成膜を開始し、定期的に外側の温度変化に対する内側の温度変化を測定することによって膜厚がどの程度変化したのかを把握することができる。具体的にはＰｏｌｙＳｉ膜２４の成膜速度は１分間に約５ｎｍから１０ｎｍであるので１分毎に外側の温度変化に対する内側の温度変化を測定することにより、あらかじめ求めておいた石英チューブ１３の外側の温度変化率に対する内側の温度変化率の関係と、石英チューブ１３の内壁上とウェーハ１１上のＰｏｌｙＳｉ膜の膜厚の関係を把握しておけば、約１０ｎｍステップでの膜厚の変化がわかる。
【００１３】
この情報を工場の情報システムに取り込み、システムでＰｏｌｙＳｉ膜２４の膜厚を把握する。これによって膜厚は一義的に決定することができるため、システムでその工程での所望の膜厚に達したと判定ができる。
そして、システム側から成膜を停止させる信号を発生して成膜装置での成膜を停止することができる。図１を用いて手順を説明する。まず減圧ＣＶＤ装置を初期化するためその前の成膜処理のウェーハを取り出し、ウェーハの載っていないボート１２を石英チューブ１３内に導入する。石英チューブ１３内が６００℃、１Ｔｏｒｒの条件でＣｌＦ3 ガスを２ＳＬＭ導入し、石英チューブ１３内壁上やボート１２に堆積したＰｏｌｙＳｉ膜をガスでエッチングする。ＰｏｌｙＳｉ膜が無くなった後石英チューブ１３内をパージし、Ｎ2 を挿入して大気圧に戻し、ボート１２を取り出す。その後製品ウェーハをボート１２にセットし、石英チューブ１３内に導入して減圧に引いてから成膜を行う。成膜の初期から１分間隔で外側の温度変化率に対する内側の温度変化率の割合を測定し、減圧ＣＶＤ装置からオンラインで工場のコンピューターシステムに情報を吸い上げ蓄積する。
【００１４】
システムでは外側の温度変化率に対する内側の温度変化率の割合と設定条件での予め求められた関係のデーターベースがあり、このデーターベースに基づいてウェーハ上の膜厚を計算し、堆積膜厚をシステムが把握する。目標の膜厚に近づいたら後何秒で目標の膜厚になるかシステムが計算を行って成膜を停止する時刻を決め、所定の時刻になったら成膜の停止信号をシステムから装置に出し、装置は成膜を停止する。そして、また堆積したＰｏｌｙＳｉ膜をＣｌＦ3 でエッチングし、この成膜とクリーニングのサイクルを繰り返すことで常にウェーハ上のＰｏｌｙＳｉ膜厚を管理して成膜ができる。
【００１５】
次に、図７を参照して第３の実施例を説明する。
これまでの実施例では主にｐｏｌｙＳｉ膜２４の成膜について説明した。この実施例では第２の実施例で述べたＰｏｌｙＳｉ膜２４のエッチングへの応用について説明する。
ＰｏｌｙＳｉ膜２４は、エッチングにより薄くなるが図７からわかるように１０ｎｍ以下の厚さでは一義的に外側の温度変化率に対する内側の温度変化率の割合（縦軸）から石英チューブ上のｐｏｌｙＳｉ膜２３の厚さ（横軸）がわかる。従ってＣｌＦ3 ガスにより石英チューブ壁上のＰｏｌｙ膜がエッチングされ、膜厚が薄くなる過程で石英チューブ壁上のＰｏｌｙＳｉ膜厚を把握することができる。最終的にエッチングが終了したかどうか判定することが可能である。さらに第２の実施例に示したように工場システムでＰｏｌｙＳｉ膜２３がその装置でどれだけ膜が堆積しているかを把握することが可能であり、エッチングスタート時の膜厚がわかることにより、一義的にエッチング時の膜厚を決めることが可能である。システムではエッチングが終了したと判定した時点からオーバーエッチングの時間をとってその後装置にエッチングの停止指令を出せばよい。
【００１６】
次に、図８を参照して第４の実施例を説明する。
これまでの実施形態では成膜としてＰｏｌｙＳｉ膜を扱ったが、ＰｏｌｙＳｉ膜に限らず半透明膜で有ればこの方法を適用することができる。この実施例ではＲｕの減圧ＣＶＤを考える。Ｒｕは金属であり、ＤＲＡＭのキャパシタの電極として検討が活発に行われている。図８にＲｕが石英チューブ内壁に堆積した場合の赤外線透過特性を示す。図８は、縦軸が透過率(Transmissivity(I/I0) 、横軸がＲｕの堆積膜厚(Thickness of Surface Layer(nm))を表す。Ｒｕの場合は金属であるため、膜厚が１５０ｎｍ以上になるとほとんど光を通さなくなる。従って１５０ｎｍまでは外側の温度変化率に対する内側の温度変化率の割合から石英チューブ上に堆積したＲｕの膜厚を知ることができる。またＲｕのガスエッチングの際にはＰｏｌｙＳｉ膜と同様にエッチングの終了時点がわかるためエンドポイントのモニタとしては問題なく使うことができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の製造方法は、石英チューブ外部のヒータ温度の過渡的変化と、それに対する容器内部の温度変化の対応を測定し、石英チューブ内に堆積する膜の厚さをｉｎ−ｓｉｔｕでモニターする工程を有するため、石英チューブ内に予めＰｏｌｙＳｉ膜を堆積する工程を省略することができると共に成膜の安定性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明及び従来に用いる減圧ＣＶＤ装置の断面図。
【図２】本発明を説明するための減圧ＣＶＤ装置の拡大図。
【図３】ＰｏｌｙＳｉ膜が石英チューブに堆積した時の赤外線透過特性図。
【図４】ＰｏｌｙＳｉ膜が無い場合の石英チューブ外側温度の変化と内側温度の変化を示す特性図。
【図５】ＰｏｌｙＳｉ膜を１０００ｎｍ堆積した時の外側温度の変化と内側温度の変化を示す特性図。
【図６】石英チューブ外側の温度変化に対する内側の温度変化のＰｏｌｙＳｉ膜厚依存性を示す特性図。
【図７】外側温度変化率に対する内側温度変化率の割合のＰｏｌｙＳｉ膜厚依存性を示す特性図。
【図８】Ｒｕが石英チューブに堆積したときの赤外線透過特性を説明する特性図。
【符号の説明】
１１、２６・・・ウェーハ、        １２・・・ボート、
１３、２３・・・石英チューブ、    １４、２１・・・ヒーター、
１５・・・ポンプ、                １６・・・ノズル、
１７・・・マスフローコントローラ（ＭＦＣ）、
１８・・・バルブ、                １９・・・圧力計、
２４・・・ＰｏｌｙＳｉ膜、        １１０・・・メインバルブ（ＭＶ）、
２２、１１１・・・外部熱電対、    ２５、１１２・・・内部熱電対、
１１３・・・石英インナーチューブ。
【図１】
0003836329.tif 000002
【図２】
0003836329.tif 000003
【図３】
0003836329.tif 000004
【図４】
0003836329.tif 000005
【図５】
0003836329.tif 000006
【図６】
0003836329.tif 000007
【図７】
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【図８】
0003836329.tif 000009