(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準温度センサの測定値と、制御用温度センサの測定値と、前記基準温度センサと前記制御用温度センサとの測定値の差である温度制御パラメータとに基づいて温度制御を行うようにした温度制御方法において、
初期状態の温度制御パラメータ、及び決められた指定回数を処理した後の温度制御パラメータと、前記初期状態の温度制御パラメータと前記決められた指定回数を処理した後の温度制御パラメータとの差と、を予め求めておき、前記制御用温度センサの測定値が温度設定値となるように温度制御を行う場合には、前記初期状態の温度制御パラメータと前記決められた指定回数を処理した後の温度制御パラメータとの差と、前記決められた指定回数との比率を求め、少なくとも前記比率に処理回数を乗じた値を前記温度設定値より減することにより、前記温度設定値を変動させるようにしたことを特徴とする温度制御方法。
【請求項２】
基準温度センサの測定値と、制御用温度センサからの温度測定値と、前記基準温度センサと前記制御用温度センサとの測定値の差である温度制御に関するパラメータとを用いて反応室に備えられたヒータの温度制御を行って、基板の温度制御を行いつつ基板上に成膜処理を行い半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
初期状態の温度制御パラメータ、及び決められた指定回数を処理した後の温度制御パラメータと、前記初期状態の温度制御パラメータと前記決められた指定回数を処理した後の温度制御パラメータとの差とを予め求めておき、前記制御用温度センサの測定値が温度設定値となるように温度制御を行う場合には、前記初期状態の温度制御パラメータと前記決められた指定回数を処理した後の温度制御パラメータとの差と前記決められた指定回数との比率を求め、少なくとも前記比率に処理回数を乗じた値を前記温度設定値より減することにより、前記温度設定値を変動させるようにした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】
本発明は、加熱炉を備えた半導体製造装置に関し、特に加熱炉の温度を制御するための温度制御方法及び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】
例えば、枚葉装置にあっては、加熱炉にシリコンウェーハ等の基板を収容し、加熱炉内を所定の温度に加熱しつつ反応ガスを供給して、基板上に薄膜を形成する。半導体製造においては、加熱炉内の温度条件が極めて重要であり、この温度制御の精度が品質に大きく影響する。放射温度計は、非接触で被測定物の温度を精度良く測定でき、更に応答性に優れ、従来より半導体製造に用いられている。また、特開平５−１９０４６２号公報においては、ＣＶＤ装置において、ガラス基板の温度を測定するために、放射温度計を用い、さらに、サセプタから放射される赤外線により放射温度計に生じる誤差を補正するため、赤外線放射温度計の温度表示に対するサセプタの温度とガラス基板の温度との相関データを予め設定しておき、この相関データに基づき熱電対が検出するサセプタの温度に応じて放射温度計が検出するガラス基板の温度を補正し、その補正温度によってサセプタの温度を制御するようにしたプラズマＣＶＤ装置が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＶＤ装置などの成膜処理装置においては、反応室内に放射温度計を設置すると放射温度計自体に成膜され、また、チャンバ窓を介して反応室外に放射温度計を設置するとチャンバ窓に成膜されて、経時的に温度測定精度が低下する。そのため、サセプタの温度とガラス基板の温度との相関データによる補正を行っても、処理を重ねていくことにより、放射温度計自体の測定誤差が進行し、上記補正を行っても正しい温度を検出することは不可能となり、ひいては精度の良い温度制御ができなくなる。
【０００４】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、成膜等により、温度センサの測定誤差の変動が生じても、精度を落とすことなく温度制御を行うことができる温度制御方法及び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】
上述した課題を解決するため、本発明は、制御用温度センサの検出値と温度制御パラメータとに基づいて温度制御を行うようにした温度制御方法において、基板処理の経過に伴って変動する温度制御パラメータの補正値を予め求めておき、基板処理時においては、この予め求めた補正値により前記温度制御パラメータを変動させるようにしたことを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の温度制御方法においては、基準温度センサと制御用温度センサの初期の温度制御パラメータ、及び決められた処理量を処理した後の温度制御パラメータとを予め求めておき、前記初期の温度制御パラメータと、前記決められた処理量を処理した後の温度制御パラメータと、前記処理量と、により温度制御パラメータの変動割合を求め、この変動割合によって前記温度制御パラメータを変動させるようにしたことを特徴とするものである。
【０００７】
実施の形態においては、所定間隔毎に温度制御パラメータを補正により変動させて温度制御している。ここで、所定間隔とは、各バッチ、又は数バッチ毎、または定時間毎のいずれかである。また、温度制御パラメータとは、温度補正値（例えばサセプタ温度測定値（放射温度計測定値）とヒータ温度測定値（熱電対温度計測定値）との差）、又はＰＩＤ定数、又はアラーム定数のいずれかである。かかる補正は、例えば温度制御パラメータが、誤差を生じる温度センサ（放射温度計）と基準となる温度センサ（熱電対温度計）との測定値の差とした場合、所定処理量の前と後（例えば１００バッチ）のそれぞれにおける温度制御パラメータの差（各センサの測定温度差の処理の前後における差）を予め取得しておき、制御時においては、処理の経過に伴ってその経過量の前記所定処理量との割合を用いてより確からしい温度差を求めるようにしている。ただし、非線形近似など他の補正を行ってもよい。なお、温度制御パラメータの差の取得時には、誤差を生じる温度センサの測定値が略一定となるように例えば炉の温度を制御しており、制御時においては、その温度を基準に前記補正された温度制御パラメータを用いて、誤差が生じる温度センサの測定値が所定の値となるように制御を行っている。
【０００８】
また、本発明の温度制御方法において、前記制御用温度センサはヒータを有する処理装置に設けられる放射温度計であり、前記基準温度センサは熱電対温度計とすることができる。
【０００９】
放射温度計を用いると、非接触で直接温度制御対象物の温度を測定することができるので、測定応答性がよく、短時間に所定の温度に精度良く制御することができる。また、熱電対温度計は、ＣＶＤ処理においても経時的変化が少ないので、より正確に経時的に変化する測定値に基づく制御パラメータを補正できる。
【００１０】
また、本発明の温度制御方法において、前記温度制御パラメータは、決められた間隔毎に補正により変動されるようにすることができ、ここに、前記決められた間隔として、各バッチ、又は数バッチ毎、または定時間毎のいずれかであるとすることができる。
【００１１】
また、本発明の温度制御方法において、前記放射温度計は、前記処理装置の反応室内のサセプタ近傍に設けるようにすることができる。サセプタ近傍に設けることにより測定精度を向上させることができ、ひいては温度制御精度を向上させることができる。
【００１２】
また、前記処理装置はＣＶＤ装置とすることができ、ＣＶＤ処理において、前記放射温度計に成膜が生じても、精度良く温度制御を行うことができる。
【００１３】
以上のような構成によれば、温度センサの測定誤差の変動に伴って、該温度制御パラメータを変動させることにより、成膜等により、温度センサの測定誤差の変動が生じても、精度を落とすことなく温度制御を行うことができる。
【００１４】
また、本発明は、制御用温度センサからの温度検出値と温度制御に関するパラメータとを用いて反応室に備えられたヒータの温度制御を行って、基板の温度制御を行いつつ基板上に成膜処理を行い半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、基板処理の経過に伴って変動する温度制御パラメータの補正値を予め求めておき、基板処理においては、この予め求めた補正値によって前記温度制御パラメータを変動させつつ温度制御を行うようにしたことを特徴とするものである。
【００１５】
このような温度制御方法を用いた半導体装置の製造方法によれば、温度制御が精度良く行え、従って、品質的に優れた半導体装置を製造することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は発明に拘わる加熱炉の構成であり、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は加熱炉を上から見た図を示している。図２は放射温度計を一定温度に制御した時の熱電対の温度の動きである。
図１において、枚葉装置にあっては、反応管１ａを有する加熱炉１にシリコンウェーハ等の基板２を収容し、加熱炉１内を所定の温度に加熱し、反応ガスを供給しつつ図中省略の排気管から排気しながら基板２上に薄膜を形成する。加熱源であるヒータ３（加熱部３Ａ▲１▼▲２▼▲３▼の３ゾーン）からの熱は、主として熱容量のある基板２を支持するサセプタ４及び基板２、そしてガス管５より流入される反応ガスに吸収される。
【００１７】
制御用のセンサとしては、加熱ゾーン（▲１▼▲２▼▲３▼）毎に放射温度計（赤外線放射温度計）６（６Ａ´、６Ａ〜６C）及びヒータモニタ用又はヒータ制御用として使用される熱電対７Ａ〜７Ｃが設置される。温度調節器ＡＤ変換部８では、熱電対信号をＡＤ変換し、温度調節器制御部９に温度デジタルデータを送信する。放射温度計６も同様に、センサ信号をＡＤ変換し、温度調節器制御部９に温度デジタルデータを送信する。温度調節器制御部９は、受け取った温度デジタルデータを用い、制御（ＰＩＤなど）演算を行い、ヒータパワー値（０〜１００％）を決定する。サイリスタ制御器１０は、温度調節器制御部９からの電気信号（０〜１００％）を受け取り、サイリスタ点弧により、ヒータを加熱する。なお、温度調節器制御部９には、メインコントローラ１２を介して交流電源１１が接続されると共に温度調節器表示操作部１３が接続されている。また、交流電源１４が放射温度計６及び温度調節器制御部９に接続されている。
【００１８】
本実施の形態における放射温度計６は、被測定物としてのサセプタ４の温度を正確に測定し、サセプタ４の温度を制御するために、反応管１ａ内に設置される。温度センサとして放射温度計が使われるのは、非接触で測定でき、且つ応答性が良いためである。放射温度計を熱電対とすると、その測定原理から該熱電対をサセプタに取付ける必要があり、従ってこの場合には、サセプタ４を回転させることができなくなるからである。また、熱電対は放射温度計に比べ応答性が良くないため、制御性能が悪化する。
また、本実施の形態における熱電対７Ａ〜７Ｃは、ヒータ３内に挿入されており、反応室内の雰囲気とは非接触に設けられており、特性変化が殆どない。
【００１９】
しかしながら、放射温度計にあっては、バッチ数を重ねるうちに被測定物であるサセプタ４へのガス反応物の付着などによる特性変化、放射温度計６へのガス反応物の付着などによるセンサ能力の低下が見られる。即ち、その測定値に誤差が生じてくる。
【００２０】
そこで、本実施の形態においては、この問題を解決するために、放射温度計の測定温度が、枚葉装置でバッチ処理を重ねていくうちに、その特性変化が殆どない熱電対に比して、どのように変化して行くかの特性を予め調べておき、その特性変化（測定誤差）に伴って、制御パラメータ（ここでは放射温度計と熱電対温度計の測定値の差）を変動（補正）させていくようにし、もって特性変化が無い場合と同様の信頼性ある制御を行っていくようにしたものである。以下、それについて説明する。
【００２１】
まず、初期状態での温度定常状態における温度差（温度補正値：放射温度計によるサセプタ温度の実測値と熱電対によるヒータ温度の実測値との温度差）を取得しておき、次に、決められたバッチ数（例えば１００バッチ）をこなして、温度定常状態における温度差（上記と同様）を取得しておく。図２の例では、温度差は処理の前で５０℃（▲１▼＝５０℃）、処理の後で７０℃（▲２▼＝７０℃）である。熱電対は、ヒータ３の近傍に設置されるため、ガス付着等の際立ったセンサ劣化がないために、熱電対の温度を基準にし、放射温度計の温度設定値に補正を加える。この場合、放射温度計と熱電対温度計とはそれぞれのゾーンに設けられたものが対応する。
【００２２】
そして、例えば放射温度計の測定温度が一定温度（温度設定値）となるように炉を制御する場合の前記温度設定値を７５０℃とした場合
初期状態：
（１）定常状態における放射温度計実測温度は７４９．９℃
（２）定常状態における熱電対実測温度は７９９．９℃
（３）温度差は５０℃
【００２３】
１００バッチ目
（１）定常状態における放射温度計実測温度は７４９．９℃
（２）定常状態における熱電対実測温度は８１９．９℃
（３）温度差は７０℃
【００２４】
こうして得られた温度差の処理の前後における差（２０℃）が得られると、これを制御時には処理の経過（バッチ数）によりその比率で温度差を求めるようにする。本例の場合は１バッチ毎に０．２℃となる。このように、基礎データを得ている場合において、ハードメンテナンス（ＣｌＦ3等のエッチングガスによる反応室内のクリーニングや放射温度計やサセプタ等の部品交換）を行った後には、再度、温度差の時系列変化を取得し補正制御を行う。ただし、ハードメンテナンスにより、初期状態の温度差は５０℃になるとは限らないが、特性変化は同様と考え、バッチ数についての線形補間を行っていくことにより、放射温度計を制御するための温度設定値（制御パラメータ）を求める。以下に初期状態の温度差が５３℃とした場合に、その具体例を示す。
【００２５】
初期状態
放射温度計の測定値が温度設定値となるように炉を制御する場合の前記温度設定値は７５０℃
定常状態における放射温度計実測温度は７４９．９℃
定常状態における熱電対実測温度は８０２．９℃
温度差は５３℃
【００２６】
0003857623.tif 000002
【００２７】
0003857623.tif 000003
【００２８】
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【００２９】
このように、放射温度計が所定の温度設定値を実測するよう炉を制御する為の前記温度設定値をバッチ数に応じて初期状態と指定回数（例えば１００回）の予め取得されている温度補正値（放射温度計と熱電対の実測温度差）を基にして線形補間を加えて、補正していく。
これにより、定常状態における熱電対実測温度がバッチを重ねても略８００℃と略一定となるように温度制御を行うことが可能となり、温度制御において、放射温度計を用いて応答性良く制御を行うことができ、且つ温度再現性も確保することができ、ひいてはバッチ間の膜厚均一性を確保することが可能となる。
【００３０】
上記実施の形態の説明では、枚葉装置の例において、温度制御パラメータとしての放射温度計と熱電対温度計の差を補正し、それに基づく温度設定値を補正するという例を示したが、縦型装置にも同様に適応可能であり、修正パラメータは温度設定値のみならず、温度制御に用いる可変パラメータを時系列修正していくことでも達成可能である。とりわけ、縦型装置におけるＣＶＤ装置のように、化学気相成長反応により内部熱電対に膜が堆積し、温度センシング能力の低下が見られるような場合にも、同様に考えることができる。例えば、温度制御にＰＩＤ制御を用いる場合においては、Ｐ定数、Ｉ定数、Ｄ定数を時系列修正していくことで、温度履歴を同じにするというやり方についても、同様に考えることができる。
【００３１】
ＰＩＤ制御については、例えばヒータ出力値は、
ヒータ出力値（０％〜１００％）＝Ｐ出力値＋Ｉ出力値＋Ｄ出力値
で示され、
（１）Ｐ出力値（ｎｅｗ）＝１００÷ＰＢ×（放射温度計目標温度（ｎｅｗ）−放射温度計実測温度（ｎｅｗ））
（２）Ｉ出力値（ｎｅｗ）＝Ｉ出力値（ｏｌｄ）＋１００÷ＰＢ÷Ｔｉ×（放射温度計目標温度（ｎｅｗ）−放射温度計実測温度（ｎｅｗ））
（３）Ｄ出力（ｎｅｗ）＝１００÷ＰＢ×Ｔｄ×（放射温度計目標温度（ｎｅｗ）−放射温度計実測温度（ｎｅｗ））−（放射温度計目標温度（ｏｌｄ）−放射温度計実測温度（ｏｌｄ））
【００３２】
ここで、(ｏｌｄ)と(ｎｅｗ)は制御周期の前後を示しており、制御周期が１秒の場合、ｏｌｄはｎｅｗの１秒前を示している。また、ＰＢはプロポーショナルバンド（定数）である。以上の制御において、放射温度計の目標温度が上述した温度設定値と同様にバッチ数に応じて補正されるようにすることにより、放射温度計を用いた応答性及び精度に優れた制御が可能となる。これは、例えば放射温度計の測定値が目標温度下において所定のバッチ数に対してどのように変化するかを予め検出しておき、その所定のバッチ数に対する制御時の処理経過に伴うバッチ数の比率で目標温度を変更していくようにすればよい。
【００３３】
アラーム定数とは、目標温度と実測温度との差がアラーム定数以上となるような場合に警告ブザーをならしたり、レシピを停止させるのに用いられ、次のように表される。
ｉｆ（｜目標温度−実測温度｜≧アラーム定数）
を満たす場合に、警告ブザーが鳴らされたり、レシピが停止される。
たとえば、｜７００−８００｜＝１００の場合にアラーム定数が５０ならば１００≧５０を満たし、上式が真となり、異常な状態とみなし、警告ブザーを鳴らしたり、レシピをストップするのに用いられる。以上においても、ＰＩＤ制御と同様に放射温度計の目標温度がバッチ数に応じて補正されるようにすることにより、放射温度計を用いた応答性及び精度に優れた制御が可能となる。
【００３４】
最後に、本発明の半導体装置の製造方法として、特にＣＶＤ法を用いた成膜処理においては、次のような成膜工程処理に本発明が適用され得る。
（１）ポリシリコン膜
これは使用ガスとしてＳｉＨ4を用いた減圧下で、成膜温度を５５０〜６５０℃の間において温度制御を行う。
（２）ドープトポリシリコン膜
これは使用ガスとして、ＳｉＨ4＋ＰＨ3を用いる場合は、減圧下で成膜温度を５５０〜６５０℃の間において温度制御を行う。
また、使用ガスとして、Ｓｉ2Ｈ6＋ＰＨ3を用いる場合は、減圧下で成膜温度を４５０℃〜５５０℃の間において温度制御を行う。
（３）ナイトライド（ＳｉＮ4）膜
これは使用ガスとして、Ｓｉ2Ｃｌ2＋ＮＨ3又はＳｉＨ4＋ＮＨ3を用いて、減圧下で成膜温度を７５０〜８５０℃の間において温度制御を行う。
（４）ＳｉＯ2膜
これは使用ガスとして、ＳｉＨ4＋Ｎ2Ｏを用いる場合は、減圧下で成膜温度を７５０〜８５０℃の間において温度制御を行う。
また、使用ガスとして、ＳｉＨ2Ｃｌ2＋Ｎ2Ｏを用いる場合は、減圧下で成膜温度を８００℃〜９００℃の間において温度制御を行う。
また、使用ガスとして、Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4を用いる場合は、減圧下で成膜温度を７００℃〜８００℃の間において温度制御を行う。
また、使用ガスとして、ＳｉＨ4＋Ｏ2を用いる場合は、減圧下で成膜温度を３５０℃〜４５０℃の間において温度制御を行う。
【００３５】
上記（１）（２）の工程は、ＭＯＳメモリのゲート電極、配線材料、ＳＲＡＭの抵抗体等に用いられる。
また、上記（３）の工程は、個々の素子間の電気的な干渉を無くす素子分離技術における誘電体分離の一手法であるＬＯＣＯＳ法における酸化保護膜として用いられ、例えばＤＲＡＭの電荷入出力制御用のＭＯＳＦＥＴに利用される。その他、ＭＯＳメモリのキャパシタやゲート用絶縁膜等に用いられる。
さらに、上記（４）の工程は、ＭＯＳメモリの層間絶縁膜、パッシベーション膜等に用いられる。
【００３６】
以上、本発明の実施の形態によれば、放射温度計と熱電対の温度差が複数回のバッチ処理（ウェーハデポ）を重ねるうちに、炉やセンサの特性変化（ガス付着、ヒータ特性変化）により変動し、それらの温度差を規定する温度補正値が意味を有さなくなることを極力防止することができる。そして、これにより、複数回のバッチ処理（ウェーハデポ）を重ねても、ウェーハ面内の均一な温度制御が可能になり、ひいては膜厚均一性を確保し、品質向上に役立つ。同様に、温度制御パラメータのＰＩＤ定数、アラーム定数、その他の温度制御を決定付けるパラメータが炉やセンサの特性変化（ガス付着、ヒータ特性変化）により、温度制御パラメータの役割を果たさなくなることを極力防止することができる。なお、本発明の温度制御方法及び半導体装置の製造方法は、ＣＶＤ法による成膜処理に限らず、熱処理装置、即ちＨ2Ｏ又はＯ2等の酸化性ガスによる酸化装置、不純物拡散装置、アニール装置に適用することも可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明によれば、温度センサの測定誤差の変動に伴って、該温度制御パラメータを変動させることにより、温度センサの測定誤差の変動にかかわらず、その検出値に基づく制御の精度を略一定に保つことが可能となる。従って、温度センサが放射温度計の場合には、成膜等により、放射温度計の測定誤差の変動が生じても、精度を落とすことなく温度制御を行うことができることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の全体構成を示す図である。
【図２】バッチ数に対する熱電対と放射温度計の実測温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  加熱炉、２  基板、３  ヒータ、４  サセプタ、６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ  放射温度計、７Ａ，７Ｂ，７Ｃ  熱電対、▲１▼〜▲３▼  ゾーン。
【図１】
0003857623.tif 000005
【図２】
0003857623.tif 000006