JP6066847B2 - 基板処理方法及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板処理方法及び制御装置に関する。

半導体デバイスの製造においては、被処理体である半導体ウェハ（以後、ウェハ）に成膜処理やエッチング処理等の各種処理を繰り返し行って、所望のデバイスを製造する。

例えば、ウェハへの成膜処理では、多数枚のウェハが棚状に保持された保持具を、縦型の熱処理装置（以後、縦型基板処理装置と呼ぶ）内に配置し、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）処理、酸化処理等によって、ウェハ上に膜を形成する。

従来、ウェハ上に形成された膜の（ドライ）エッチングは、例えば平行平板型のプラズマ処理装置を用いて枚葉式で実施されてきた。しかしながら、近年、スループットの向上等の観点から、縦型基板処理装置内で、成膜処理及びエッチング処理の両方を実施するプロセスが提案されている。具体的には、縦型基板処理装置内で、トレンチやホール等のパターンが形成されたウェハに対して、第１の成膜処理、エッチング処理、次いで第２の成膜処理を実施し、パターンの凹部内に成膜物質を埋め込むＤＥＤ（Deposition Etch Deposition）プロセスが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

縦型基板処理装置内で成膜処理及びエッチング処理を実施することにより、多数枚のウェハを同時に、成膜処理、次いでエッチング処理することができるため、スループットが向上すると考えられる。

特開２０１２−２０９３９４号公報

近年、半導体デバイスの高速化、配線パターンの微細化、高集積化の要求に伴い、トレンチの幅やホール径が数十ｎｍ以下となっている。このような狭いトレンチやホール等のパターン内に成膜物質を成膜する場合、パターンの開口部が成膜物質で塞がれる、オーバーハングが発生しやすい。オーバーハングが発生してパターンの開口幅が狭い状態で次の成膜処理を実施した場合、成膜物質を内部に十分埋め込むことができずに、ボイド（空洞）が発生する等の問題が生じる。縦型基板処理装置内でのＤＥＤプロセスを利用してウェハ上に成膜物質をボイド無く埋め込むためには、成膜工程及びエッチング工程における、成膜量及びエッチング量の制御が重要となる。

上記課題に対して、縦型基板処理装置内でのＤＥＤプロセスにおいて、成膜物質をボイド無く埋め込む基板処理方法を提供する。

複数枚の基板を所定の間隔で多段に保持する基板保持具を配置可能な処理容器と
前記処理容器内を加熱するヒータと、
前記処理容器内に成膜ガス及びエッチングガスを導入する処理ガス導入部と、
前記処理容器内を排気する排気部と、
を有する縦型基板処理装置と、前記縦型基板処理装置の作動を制御する制御装置とを用いた、予め所定の凹凸パターンが形成された基板に対して第１の成膜処理、第１のエッチング処理及び第２の成膜処理により前記凹凸パターンの凹部内に成膜物質を埋め込む基板処理方法であって、
前記基板処理方法は、
前記第２の成膜処理後に前記成膜物質が前記凹部内にボイド無く埋まるように、前記第１の成膜処理の第１の成膜時間を含む第１の成膜条件、前記第１のエッチング処理の第１のエッチング時間を含む第１のエッチング条件、及び、前記第２の成膜処理の第２の成膜時間を含む第２の成膜条件に対する最適な時間配分を、前記制御装置が算出する、算出工程と、
算出された前記最適な時間配分に基づいて、前記基板に対して、前記第１の成膜処理、前記第１のエッチング処理及び前記第２の成膜処理を実施する、処理工程と、
を含む、基板処理方法。

縦型基板処理装置内でのＤＥＤプロセスにおいて、成膜物質をボイド無く埋め込む基板処理方法を提供できる。

本実施形態に係る縦型基板処理装置の一例の概略構成図である。 本実施形態に係る制御装置の一例の概略構成図である。 本実施形態に係るＤＥＤプロセスの一例を説明するための概略図である。 本実施形態に係る基板処理方法の一例のフロー図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

（縦型基板処理装置）
先ず、本実施形態に係る縦型基板処理装置について、説明する。本実施形態の縦型熱処理装置は、被処理体の一例としての半導体ウェハが多数枚棚状に保持された保持具を配置可能であり、多数枚の半導体ウェハを同時に成膜処理及びエッチング処理可能な基板処理装置である。

図１に、本実施形態に係る縦型基板処理装置の一例の概略構成図を示す。

本実施形態に係る縦型基板処理装置１００は、長手方向が垂直である、例えば石英製の処理容器１０２を有する。処理容器１０２は、例えば円筒体の内筒１０２ａと、この内筒１０２ａの外側に同心的に配置された有天井の外筒１０２ｂの２重管構造で構成される。

反応管１０２の下端部は、ステンレススチール等から形成されるマニホールド１０４によって、気密的に保持される。マニホールド１０４は、図示しないベースプレートに固定される構成であっても良い。

マニホールド１０４は、処理容器１０２内に、成膜処理の為の１乃至複数の成膜ガス、エッチング処理の為の１乃至複数のエッチングガスを含む処理ガス、又は、不活性ガス（例えばＮ_２ガス）等のパージガスを導入するガス導入部１０６を有する。なお、図１では、ガス導入部が１つ設置される構成を示したが、本発明はこの点において限定されない。例えば、後述するウェハボート１２６の高さ方向において、上部、中部、下部の３箇所にガス導入部１０６を配置することが好ましい。ガス導入部１０６を複数設けることにより、成膜処理やエッチング処理において、半導体ウェハＷ（以後、ウェハＷと呼ぶ）の面間均一性を向上させることができる。即ち、ウェハＷの枚数、使用する処理ガスの種類、所望のプロセス条件等に応じて、１乃至複数のガス導入部１０６を有する構成とすることができる。

処理ガスの種類としては、特に限定されない。例えば、予めトレンチやホールが形成されたウェハＷに、化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いてゲート電極としての多結晶シリコン（ポリシリコン）を埋め込む場合、窒素（Ｎ_２）ガスや水素（Ｈ_２）ガス雰囲気下で、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガス等を熱分解させる。また、予めトレンチやホールが形成されたウェハＷに、絶縁膜としてのシリコン酸化膜を埋め込む場合、ＳｉＨ_４ガスと酸素（Ｏ_２）ガスを用いて蒸着させる。即ち、所望のプロセスに応じて、適宜、処理ガスを選択することができる。また、エッチングガスの種類も、成膜される膜の種類に応じて、適宜選択することができる。

ガス導入部１０６には、前述の各種ガスを処理容器１０２内に導入するための配管１１０が接続される。配管１１０には、ガス流量を各々調整するための、図示しないマスフローコントローラ等の流量調整部や、図示しないバルブ等が介設されている。

また、マニホールド１０５は、処理容器１０２内を排気するガス排気部１０８を有する。ガス排気部１０８には、処理容器１０２内を減圧制御可能な真空ポンプ１１２や、開度可変弁１１４等を有する真空排気路なる配管１１６が接続されている。

マニホールド１０５の下端部には、炉口１１８が形成されており、この炉口１１８には、例えばステンレススチール等から形成される円盤状の蓋体１２０が設けられている。この蓋体１２０は、昇降機構１２２により、昇降可能に設けられており、炉口１１８を密閉可能とすることができる。

蓋体１２０の上には、例えば石英製の保温筒１２４が設置されている。また、保温筒１２４の上には、例えば２５枚〜１５０枚程度のウェハＷを、水平状態で所定の間隔で多段に保持する、例えば石英製のウェハボート１２６が載置されている。

ウェハボート１２６は、昇降機構１２２を用いて蓋体１２０を上昇させることで、処理容器１０２内へと搬入され、このウェハボート１２６内に保持されたウェハＷは、各種処理が施される。また、各種処理が施された後には、昇降機構１２２を用いて蓋体１２０を下降させることで、処理容器１０２内から下方のローディングエリアへと搬出される。

また、処理容器１０２に外周側には、処理容器１０２を所定の温度に加熱制御可能な、例えば円筒形状のヒータ１２８が設けられている。

ヒータ１２８は、好ましくは複数のゾーンに分割されていて、図１に示す例では、鉛直方向上側から下側に向かって、ヒータ１２８ａ〜１２８ｅが設けられている。ヒータ１２８ａ〜１２８ｅは、各々、電力制御機１３０ａ〜１３０ｅによって独立して発熱量を制御できるように構成される。また、内筒１０２ａの内壁及び／又は外筒１０２ｂの外壁には、ヒータ１２８ａ〜１２８ｅに対応して、図示しない温度センサが設置されている。なお、ヒータ１２８の分割数は、図１に示す例に限定されず、例えば鉛直方向上側から下側に向かって、３つのゾーンに分割されていても良い。

ウェハボート１２６に載置された複数枚のウェハＷは、１つのバッチを構成し、同時に成膜処理やエッチング処理が実施される。この際、ウェハボート１２６に載置されるウェハＷの少なくとも１枚以上は、モニタウェハであることが好ましい。なお、モニタウェハは、分割されるヒータ１２８ａ〜ｅの各々に対応して配置されていることが好ましいが、各々に対応して配置されていなくても良い。例えば、５つのゾーンに、１０枚のモニタウェハを配置しても良いし、３枚のモニタウェハを配置することも可能である。

また、本実施形態に係る縦型基板処理装置１００は、その内部又は外部に、制御装置１３２を有する。外部に制御装置１３２を有する場合、制御装置１３２は、有線又は無線等の通信手段によって、縦型基板処理装置１００を制御することができる。

図２に、本実施形態に係る制御装置１３２の一例の概略構成図を示す。

図２に示すように、制御装置１３２は、モデル記憶部１３４と、レシピ記憶部１３６と、ＲＯＭ（Read-Only Memory）１３８と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１４０と、Ｉ／Ｏポート１４２と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４４と、これらを相互に接続するバス１４６とを有して構成される。

モデル記憶部１３４には、少なくとも後述するプロセスモデルが記憶されている。また、モデル記憶部１３４には、後述する熱モデルが記憶されていることが好ましい。

レシピ記憶部１３６には、この縦型基板処理装置１００で実行されるエッチング処理や成膜処理の種類に応じて制御手段を定めるプロセス用レシピが記憶されている。プロセス用レシピは、使用者が実際に行う処理毎に用意されるレシピであり、例えば、縦型基板処理装置１００へのウェハＷの搬入から、処理済みのウェハＷの搬出までの、圧力変化、温度変化、処理ガス等のガス供給の開始及び停止のタイミング、処理ガスの供給量等の処理条件を規定するものである。そして、後述するプロセスモデルに基づいて決定された処理条件に基づいて、レシピを更新する。

ＲＯＭ１３８は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、フラッシュメモリ、ハードディスク等から構成され、ＣＰＵ１４４の動作プログラム等を記憶する記憶媒体である。

ＲＡＭ１４０は、ＣＰＵ１４４のワークエリア等として機能する。

Ｉ／Ｏポート１４２は、温度、圧力、処理ガスの流量等の処理条件に関する測定信号を、ＣＰＵ１４４に供給すると共に、ＣＰＵ１４４が出力する制御信号を各部（開度可変弁１１４の図示しないコントローラ、電力制御機１３０、ガス導入部１０６に接続された図示しないマスフローコントローラ、内筒１０２ａの内壁に配置された図示しない温度センサ等）へ出力する。また、Ｉ／Ｏポート１４２には、使用者が縦型基板処理装置１００を操作する操作パネル１４８が接続されている。

ＣＰＵ１４４は、ＲＯＭ１３８に記憶された動作プログラムを実行し、操作パネル１４８からの指示に従って、レシピ記憶部１３６に記憶されているプロセス用レシピに沿って、縦型基板処理装置１００の作動を制御する。

バス１４６は、各部の間で情報を伝達する。

（基板処理方法）
［基板処理方法の概略］
次に、上述した縦型基板処理装置１００を使用した、ＤＥＤプロセスによる基板処理方法について、図を参照して説明する。

図３に、本実施形態に係るＤＥＤプロセスの一例を説明するための概略図を示す。図３では、トレンチやホール等のパターン２００が形成された下地膜２０２を有するウェハＷに、成膜処理及びエッチング処理を繰り返し処理することで、パターン２００に成膜物質２０４を埋め込むプロセスについて、説明する。なお、図３の例では、成膜処理、エッチング処理及び成膜処理を順次施すことで、パターン２００に成膜物質２０４を埋め込むプロセスについて説明するが、更に１乃至複数回のエッチング処理及び成膜処理を施すことによって、成膜物質２０４を埋め込むプロセスであっても良い。

先ず、図３（ａ）に示すように、トレンチやホール等のパターン２００が形成された下地膜２０２を有する複数枚のウェハＷを、ウェハボート１２６を介して、縦型基板処理装置１００内に搬入する。

そして、図３（ｂ）に示すように、少なくとも成膜時間（例えば、図３（ａ）から図３（ｂ）への成膜工程においてはｔ１の成膜時間）を含む所定の成膜条件によって、少なくともパターン２００上に、成膜物質２０４を成膜する。これにより、図３（ｂ）に示すように、パターン２００の深さ方向における、開口部近傍の「上部」に対応する成膜物質２０４ａの膜厚はＨ１に、底部近傍の「下部」に対応する成膜物質２０４ｃの膜厚はＨ３に、この「上部」及び「下部」の間の位置に対応する成膜物質２０４ｂの膜厚はＨ２となる。

近年、高アスペクト比のホールやトレンチに成膜物質を成膜することが要求されている。この場合、上記の成膜処理によって、パターン２００の底部における径よりも、開口部における径が小さくなる、オーバーハングが発生しやすい。オーバーハングが発生してトレンチやホールの開口幅が狭い状態で次の成膜処理を実施した場合、成膜物質を内部に十分埋め込むことができずに、ボイド（空洞）が発生する等の問題が生じる。

そこで、１回目の成膜工程における少なくとも成膜時間を含む成膜条件と、後述する２回目の成膜工程における少なくとも成膜時間を含む成膜条件とを考慮して、少なくともエッチング時間を含むエッチング条件で、成膜物質２０４をエッチングする（図３（ｃ）参照）。例えば、図３（ｂ）から図３（ｃ）へのエッチング工程においては、ｔ２の成膜時間を含むエッチング条件で、成膜物質２０４をエッチングする。これにより、開口部近傍の「上部」に対応する成膜物質２０４ａの膜厚はＨ１'に、底部近傍の「下部」に対応する成膜物質２０４ｃの膜厚はＨ３'に、この「上部」及び「下部」の間の位置に対応する成膜物質２０４ｂの膜厚はＨ２'となる。

そして、図３（ｄ）に示すように、成膜時間を含む成膜条件（図３（ｃ）から図３（ｄ）への成膜工程においてはｔ３の成膜時間）で、成膜物質２０４を再度成膜することによって、パターン２００内に成膜物質２０４を埋め込む。

ここで、縦型基板処理装置を使用した成膜処理については、既に従来から幅広く研究が行われている。そのため、下地膜２０２の種類、成膜物質２０４の種類、パターン２００の径、アスペクト比等に応じた、成膜条件と成膜量との関係については既に知られている。しかしながら、縦型基板処理装置を用いたエッチング量（又はエッチングレート）の厳密な調整については行われていない。本発明者らは、縦型基板処理装置１００を用いた成膜処理及びエッチング処理において、制御装置１３２を用いて成膜量及びエッチング量を同時に調整することにより、ヒトの手間や時間を最小限にしながら、短いＴＡＴ（Turn Around Time）で、容易に、パターン２００の凹部内に成膜物質２０４をボイド無く埋め込むことができることを見出した。より具体的には、１回目の成膜工程における成膜時間ｔ１と、エッチング工程におけるエッチング時間ｔ２と、２回目の成膜工程における成膜時間ｔ３とに関する最適な時間配分を、制御装置１３２が算出する。そして、この時間配分に基づいて、制御装置１３２は縦型基板処理装置１００を制御し、基板を処理させる。これにより、短いＴＡＴで、容易に、パターン２００の凹部内に成膜物質２０４をボイド無く埋め込むことができることを見出した。

図４に、本実施形態に係る基板処理方法のフロー図の一例を示す。本実施形態に係る基板処理方法は、
予め所定の凹凸パターンが形成された基板に対して第１の成膜処理、第１のエッチング処理及び第２の成膜処理によりパターンの凹部内に成膜物質を埋め込む基板処理方法であって、基板処理方法は、
第２の成膜処理後に成膜物質が凹部内にボイド無く埋まるように、第１の成膜処理の第１の成膜時間を含む第１の成膜条件、第１のエッチング処理の第１のエッチング時間を含む第１のエッチング条件、及び、第２の成膜処理の第２の成膜時間を含む第２の成膜条件を、制御装置が算出する、算出工程（Ｓ３００）と、
算出された第１の成膜条件、第１のエッチング条件及び第２の成膜条件に基づいて、基板に対して、第１の成膜処理、第１のエッチング処理及び第２の成膜処理を実施する、処理工程（Ｓ３１０）と、
を有する。

なお、前述したように、制御装置１３２は、それ自身が１つの装置であっても良いし、縦型基板処理装置１００の制御部として、縦型基板処理装置１００内に組み込まれていても良い。

制御対象としては、複数のウェハＷの面間の成膜量及びエッチング量を調整する観点から、例えばウェハボート１２６に載置される多数枚のウェハＷの内の、ヒータ１２８ａ〜ｅの各々のゾーンに対応する箇所から１枚ずつ、合計５枚のウェハＷを選択することができる。また、ウェハＷの面内の成膜量及びエッチング量を調整する観点から、例えば、ウェハＷの中心部及び周縁部の２箇所を制御対象として選択することができる。さらに、ウェハＷのパターン２００の深さ方向における、成膜量及びエッチング量を調整する観点から、パターン２００の深さ方向における、開口部近傍の「上部」と、底部近傍の「下部」と、この上部及び下部の間の任意の位置の「中部」との３箇所を制御対象として選択することができる。しかしながら、本発明はこの点において限定されない。

なお、前述したように、図３の例では、成膜処理、続くエッチング処理及び成膜処理を施すことで、成膜物質２０４を埋め込むプロセスについて説明した。しかしながら、本発明はこの点において限定されない。例えば、成膜処理、続くエッチング処理を複数回繰り返し、更に再度成膜処理を施すことによって、成膜物質２０４を埋め込むプロセスであっても良い。この場合、成膜処理の各々における、成膜時間を含む成膜条件と、エッチング処理の各々における、エッチング時間を含むエッチング条件とを、制御装置１３２を用いて制御する。即ち、制御装置１３２が成膜量及びエッチング量を同時に調整することにより、ヒトの手間や時間を最小限にしながら、短いＴＡＴ（Turn Around Time）で、容易に、成膜物質をボイド無く埋め込むことができる。

［成膜時間及びエッチング時間が成膜量及びエッチング量に及ぼす影響］
次に、本実施形態の基板処理方法において、成膜時間及びエッチング時間を最適化することにより、パターン２００の凹部内に成膜物質２０４をボイド無く埋め込むことができる理由について、説明する。先ず、成膜時間と成膜量との間の関係、及び、エッチング時間とエッチング量との間の関係について説明する。

例えば、図３（ｂ）等の成膜物質２０４において、パターン２００の深さ方向における「上部」に対応する成膜物質２０４ａ、「中部」に対応する成膜物質２０４ｂ、「下部」に対応する成膜物質２０４ｃの成膜速度及びエッチング速度は、厳密には、既に形成された成膜物質２０４の膜厚分布形状に依存する。しかしながら、一般的には、「上部」の成膜速度（成膜量）は、「中部」及び「下部」の成膜速度（成膜量）と比較して、成膜時間に大きく影響を受ける。また、一般的には、短期的には、「上部」のエッチング速度（エッチング量）は、「中部」及び「下部」のエッチング速度（エッチング量）と比較して、エッチング時間に更に大きく影響を受ける。そのため、「上部」のエッチング速度が、「中部」及び「下部」のエッチング速度よりも大きくなるような条件を選択することにより、少なくともパターン２００の凹部内にボイドが発生しないように、成膜物質２０４を埋め込むことができる。この際、成膜処理の成膜時間及びエッチング処理のエッチング時間と、上部、中部及び下部の各々における、成膜量及びエッチング量との関係を予めモデル化しておく。このモデルに基づいて、１回目の成膜時間と、エッチング時間と、２回目の成膜時間との組み合わせを含む処理条件と、成膜物質２０４の膜厚との関係をモデル化しておく。そして、この予め作成されたモデルに基づいて、所望のプロセス内容毎に、制御装置１３２は、成膜時間及びエッチング時間に関する最適な時間配分を算出する。

［その他のパラメータが成膜量及びエッチング量に影響を及ぼす影響］
また、本実施形態の基板処理方法においては、制御装置１３２が、時間（成膜時間及びエッチング時間）以外の処理条件についても、最適な処理条件を算出する構成であっても良い。

時間以外の処理条件とは、例えば成膜処理においては、成膜温度、成膜ガスの流量及び成膜時の圧力（即ち、処理容器１０２内の圧力）を含み、例えばエッチング処理においては、エッチング温度、エッチングガスの流量及びエッチング時の圧力（即ち、処理容器１０２内の圧力）を含む。即ち、各々の処理における、「温度」、「処理ガスの流量」及び「圧力」の処理条件に関して、制御装置１３２が最適な条件を算出する構成であっても良い。

成膜処理における成膜条件と、成膜量と、の関係については幅広く研究されており、既に知られているため、本明細書では、エッチング処理におけるエッチング条件と、エッチング量との関係について、説明する。前述したように、エッチング量に影響を及ぼすエッチング条件、即ち、制御装置１３２によるエッチング量の調整手段としては、エッチング時のウェハＷの温度、エッチングガスの流量及びエッチング時の圧力等が挙げられる。

例えば、エッチング時のウェハＷの温度を調整することで、エッチング工程全体のエッチング量を調整することができる。また、前述したヒータ１２８ａ〜１２８ｅのゾーン間での温度を調整することで、エッチング量の面間均一性を向上させることができる。なお、エッチング時の温度は、一定であっても良いし、時間と共に冷却する又は加熱するように変化させても良い。ウェハＷの中心部と周縁部とでは温度変化の程度が異なる。具体的には、ウェハＷの周縁部は、ヒータ１２８に近いため、加熱又は冷却され易い傾向にある。また、ウェハＷの中心部は、ヒータ１２８から遠いため、加熱又は冷却され難い傾向にある。そのため、温度を変化させながらエッチングを進行させることにより、ウェハの面内でのエッチング量を調整することができる。

別の例では、エッチングガスの流量を変更することで、エッチング工程全体のエッチング量を調整することができる。また、ガス導入部１０６の数や配置を調整し、各々のガス導入部１０６でのエッチングガスの流量を調整することで、エッチング量の面間均一性及び面内均一性を向上させることができる。

また別の例では、エッチング時の圧力を調整することで、エッチング工程全体のエッチング量を調整することができる。また、エッチング時の圧力の調整は、エッチング量の面間均一性や面内均一性を向上させる手段としても有効である。

また、上述した、エッチングガスの流量及びエッチング時の圧力を調整することによって、パターン２００の深さ方向で、エッチング量を調整することも可能である。

一例として、パターン２００の深さ方向において、開口部近傍の「上部」と、底部近傍の「下部」と、この上部及び下部の間の任意の位置の「中部」とを挙げ、前述したエッチング条件を変更することにより、どの箇所のエッチング量が変更されるかについて、説明する。例えば、エッチングガスの流量を変更する場合、「上部」におけるエッチング量への影響が大きく、「中部」及び「下部」におけるエッチング量への影響は相対的に小さくなる。また、エッチング時の圧力を変更する場合、前述のエッチングガス流量の場合と比較して、「中部」及び「下部」におけるエッチング量の変動への影響が大きくなる。

［プロセスモデル］
本実施形態の制御装置１３２は、モデル記憶部１３４に予め記憶されているモデルに基づいて、成膜時間及びエッチング時間の時間配分について最適化する。本実施形態の制御装置１３２のモデル記憶部１３４に記憶されているプロセスモデルの実施形態例について、説明する。

一実施形態において、モデル記憶部１３４には、プロセスモデルとして、
（１回目の）成膜処理で成膜ガスを供給する際の第１の供給時間と、エッチング処理でエッチングガスを供給する際の第２の供給時間と、再成膜処理（２回目の成膜処理）で成膜ガスを供給する際の第３の供給時間との組み合わせを含む処理時間が、基板上の成膜物質の膜厚に与える影響を表す、処理時間−膜厚モデルが記憶されている、
この処理時間−膜厚モデルは、当業者であれば、成膜ガスの供給時間が、ウェハ上の成膜物質の成膜量に与える影響を表す、成膜ガス供給時間−成膜量モデル、及び、エッチングガスの供給時間が、ウェハ上の成膜物質のエッチング量に与える影響を表す、エッチングガス供給時間−エッチング量モデル等を使用して作成することができる。なお、１回目の成膜処理と２回目の成膜処理における、成膜ガス供給時間−成膜量モデルは、同じモデルを使用しても良いし、異なるモデルを使用しても良い。１回目の成膜処理と２回目の成膜処理とで成膜速度が略同じであるプロセスの場合は、同じモデルを使用し、後述する学習機能で誤差を吸収する構成とすることができる。また、１回目の成膜処理と２回目の成膜処理とで成膜速度が大きく異なるプロセスの場合は、各々のプロセスでモデルを作成しても良い。

また、モデル記憶部１３４には、成膜温度、成膜ガスの流量及び成膜時の圧力等に関する他のプロセスモデルや、エッチング温度、エッチングガスの流量及びエッチング時の圧力等に関する他のプロセスモデルが記憶されていても良い。

一実施形態において、モデル記憶部１３４には、
ウェハＷの温度が、成膜物質の成膜量に与える影響を表す、ウェハ温度−成膜量モデル：
成膜ガスの流量が、成膜物質の成膜量に与える影響を表す、成膜ガス流量−成膜量モデル：
処理容器１０２内の圧力が、成膜物質の成膜量に与える影響を表す、成膜圧力−成膜量モデル：
が記憶されていても良い。また、この場合、モデル記憶部には、熱モデルとして、
処理容器内のウェハＷの温度と、ヒータ１２８の設定温度、即ち、ヒータ１２８の電力制御機１３０の出力と、の関係を表す、熱モデルが記憶されている。この熱モデルは、例えば、内筒１０２ａの内壁に配置される図示しない温度センサの出力やモニタウェハＷの温度等からウェハＷの温度を推定するための熱モデルを使用することができる。

また、他の実施形態において、モデル記憶部１３４には、プロセスモデルとして、
ウェハＷの温度が、成膜物質のエッチング量に与える影響を表す、ウェハ温度−エッチング量モデル：
エッチングガスの流量が、成膜物質のエッチング量に与える影響を表す、エッチングガス流量−エッチング量モデル：
処理容器１０２内の圧力が、成膜物質のエッチング量に与える影響を表す、圧力−エッチング量モデル：
が記憶されていても良い。

これらのモデルを使用することにより、制御装置１３２は、「時間」のパラメータに加え、「温度」、「処理ガスの流量」及び「圧力」のパラメータを調整手段として使用することができる。そのため、より厳密に、ウェハＷ上の成膜物質の膜厚を制御することができる。

ＣＰＵ１４４は、モデル記憶部１３４に記憶されている上述のプロセスモデルに基づいて、少なくとも、１回目の成膜処理、エッチング処理及び２回目の成膜処理の各々の処理に関して、最適な処理時間を算出する。また、好ましくは、ウェハＷの成膜温度及びエッチング温度、成膜ガスの流量及びエッチングガスの流量、並びに、成膜時の処理容器１０２内の圧力及びエッチング時の処理容器１０２内の圧力を算出する。この際、各種処理条件の算出は、線形計画法や２次計画法等の最適化アルゴリズムを利用して、読み出したプロセス用レシピに記憶された所望の膜厚に基づき、ウェハＷの面内均一性、ウェハＷ間の面間均一性を満たすような成膜時間及びエッチング時間の組み合わせを、最適化アルゴリズムを利用して算出する。

上述したプロセスモデルや熱モデルは、プロセス条件や装置の状態等によって、デフォルトの数値が最適でない場合も考えられる。そのため、これらのモデルの少なくとも１つ以上のモデルに、各種計算を実施するソフトウェアに拡張カルマンフィルタ等を付加して学習機能を搭載し、モデルの学習を行うものであっても良い。

本実施形態に係る基板処理方法を実行する場合について、説明する。

先ず、予め所定のパターンが形成されたウェハＷを、ウェハボート１２６に載置された状態で処理容器１０２内にロードする。次に、オペレータが操作パネル１４８に、少なくとも、成膜物質２０４に関するウェハＷのパターン２００の側壁からの所望の膜厚、並びに、温度、ガス流量及び圧力を調整手段として使用しない場合には、これらの処理条件を入力する。

また、操作パネル１３８に処理の内容を入力する際には、下地膜の種類、成膜物質の種類、及び／又は、ウェハＷのパターン２００に関する他の情報（例えば、ホール又はトレンチの径、アスペクト比等）を入力する構成であっても良い。

ＣＰＵ１４４は、入力があるか否かを判別し、入力があると、入力された指示内容に応答した成膜処理用のレシピ及びエッチング処理用のレシピをレシピ記憶部１３６から読み出す。

次に、モデル記憶部１３４に記憶されているプロセスモデルから、１回目の成膜処理に関する成膜時間、エッチング処理に関するエッチング時間及び２回目の成膜処理に関する成膜時間を含む処理条件が算出され、レシピが更新される。処理条件の算出は、線形計画法や２次計画法等の最適化アルゴリズムを利用して算出される（図４のＳ３００参照）。

次に、ＣＰＵ１４４は、決定されたレシピに基づいて、ヒータ１２８により処理容器１０２内の温度を所定の成膜温度に、開度可変弁１１４により処理容器１０２内の圧力を所定の成膜圧力に設定する。そして、ＣＰＵ１４４は、レシピに従って、処理容器１０２内に所定量の成膜ガスを供給し、１回目の成膜処理を実行する。

１回目の成膜処理に関する所定の成膜処理時間後、成膜ガスの供給を停止する。そして、ＣＰＵ１４４は、レシピに基づいて、ヒータ１２８により処理容器１０２内の温度を所定のエッチング温度に、開度可変弁１１４により処理容器１０２内の圧力を所定のエッチング圧力に設定する。そして、ＣＰＵ１４４は、レシピに従って、処理容器１０２内に所定量のエッチングガスを供給し、１回目の成膜処理を実行する。

エッチング処理関する所定のエッチング処理時間後、エッチングガスの供給を停止する。そして、ＣＰＵ１４４は、レシピに基づいて、ヒータ１２８により処理容器１０２内の温度を所定の成膜温度に、開度可変弁１１４により処理容器１０２内の圧力を所定の成膜圧力に設定する。そして、ＣＰＵ１４４は、レシピに従って、処理容器１０２内に所定量の成膜ガスを供給し、パターン２００に成膜物質２０４を埋め込む。

２回目の成膜処理に関する所定の成膜処理時間後、成膜ガスの供給を停止して、処理を完了する（図４のＳ３１０参照）。

なお、エッチング処理の終了後は、ウェハＷをアンロードして、ウェハボート１２６に載置されたウェハＷから、少なくとも１枚以上のウェハＷを取り出し、成膜物質の膜厚に問題があるかどうかを判別する判別工程を実施しても良い。

ＣＰＵ１４４は、算出した処理条件を、次の処理時の処理条件として、ＲＡＭ１４０に格納し、レシピを更新しても良い。また、オペレータが、操作パネル１４８から、算出した処理条件を、次の処理時の処理条件として、レシピの更新を行っても良い。

以上説明したように、本実施形態に係る縦型基板処理装置及び基板処理方法は、多数枚のウェハＷを１つのバッチとして同時に処理できる。また、制御装置１３２によって成膜処理及びエッチング処理の最適な時間配分を算出することで成膜量及びエッチング量を同時に調整することができる。これにより、ヒトの手間や時間を最小限にしながら、短いＴＡＴで、容易に、パターン２００の凹部内に成膜物質２０４をボイド無く埋め込むことができる。

１００ 縦型基板処理装置
１０２ 処理容器
１０４ マニホールド
１０６ ガス導入部
１０８ ガス排気部
１１０ 配管
１１２ 真空ポンプ
１１４ 開度可変弁
１１６ 配管
１１８ 炉口
１２０ 蓋体
１２２ 昇降機構
１２５ 保温筒
１２６ ウェハボート
１２８ ヒータ
１３０ 電力制御機
１３２ 制御装置
１３４ モデル記憶部
１３６ レシピ記憶部
１３８ ＲＯＭ
１４０ ＲＡＭ
１４２ Ｉ／Ｏポート
１４４ ＣＰＵ
１４６ バス
１４８ 操作パネル
２００ パターン
２０２ 下地膜
２０４ 成膜物質
Ｗ 半導体ウェハ

Claims (8)

1. 複数枚の基板を所定の間隔で多段に保持する基板保持具を配置可能な処理容器と
   前記処理容器内を加熱するヒータと、
   前記処理容器内に成膜ガス及びエッチングガスを導入する処理ガス導入部と、
   前記処理容器内を排気する排気部と、
   を有する縦型基板処理装置と、前記縦型基板処理装置の作動を制御する制御装置とを用いた、予め所定の凹凸パターンが形成された基板に対して第１の成膜処理、第１のエッチング処理及び第２の成膜処理により前記凹凸パターンの凹部内に成膜物質を埋め込む基板処理方法であって、
   前記基板処理方法は、
   前記第２の成膜処理後に前記成膜物質が前記凹部内にボイド無く埋まるように、前記第１の成膜処理の第１の成膜時間を含む第１の成膜条件、前記第１のエッチング処理の第１のエッチング時間を含む第１のエッチング条件、及び、前記第２の成膜処理の第２の成膜時間を含む第２の成膜条件に対する最適な時間配分を、前記制御装置が算出する、算出工程と、
   算出された前記最適な時間配分に基づいて、前記基板に対して、前記第１の成膜処理、前記第１のエッチング処理及び前記第２の成膜処理を実施する、処理工程と、
   を含む、基板処理方法。
2. 前記算出工程は、
   前記凹凸パターンの深さ方向に対して、前記凹凸パターンの開口部近傍の第１の位置と、前記凹凸パターンの底部近傍の第２の位置と、前記第１の位置及び前記第２の位置の間の第３の位置と、の各々における、前記第１の成膜時間と成膜量との間の関係と、前記第１のエッチング時間とエッチング量との間の関係と、前記第２の成膜時間と成膜量との間の関係とに基づいて、前記制御装置が算出する、
   請求項１に記載の基板処理方法。
3. 前記第１のエッチング条件は、前記第１の位置におけるエッチング量が、前記第２の位置及び前記第３の位置におけるエッチング量よりも大きくなるような条件である、
   請求項２に記載の基板処理方法。
4. 前記第１の成膜条件は、成膜温度、前記成膜ガスの流量及び前記処理容器内の圧力を含み、
   前記第１のエッチング条件は、エッチング温度、前記エッチングガスの流量及び前記処理容器内の圧力を含み、
   前記第２の成膜条件は、成膜温度、前記成膜ガスの流量及び前記処理容器内の圧力を含む、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の基板処理方法。
5. 複数枚の基板を所定の間隔で多段に保持する基板保持具を配置可能な処理容器と
   前記処理容器内を加熱するヒータと、
   前記処理容器内に成膜ガス及びエッチングガスを導入するエッチングガス導入部と、
   前記処理容器内を排気する排気部と、
   を有する縦型基板処理装置と、前記縦型基板処理装置の作動を制御する制御装置とを用いた、予め所定の凹凸パターンが形成された基板に対して成膜処理及びエッチング処理を所定の回数繰り返し処理し、前記繰り返し処理後に再度成膜処理を経て前記凹凸パターンの凹部内に成膜物質を埋め込む基板処理方法であって、
   前記繰り返し処理後の前記成膜処理後に、前記成膜物質が前記凹部内にボイド無く埋まるように、前記成膜処理の各々における、成膜時間を含む成膜条件、及び、前記エッチング処理の各々における、エッチング時間を含むエッチング条件に対する最適な時間配分を、前記制御装置が算出する、算出工程と、
   算出された各々の前記最適な時間配分に基づいて、前記基板に対して、各々の前記成膜処理及び各々の前記エッチング処理を実施する、処理工程と、
   を含む、基板処理方法。
6. 複数枚の基板を所定の間隔で多段に保持する基板保持具を配置可能な処理容器と、
   前記処理容器内を加熱するヒータと、
   前記処理容器内に成膜ガス及びエッチングガスを導入する処理ガス導入部と、
   前記処理容器内を排気する排気部と、
   を有し、予め所定の凹凸パターンが形成された前記基板に、成膜物質の成膜処理、前記成膜物質のエッチング処理及び前記成膜物質の再成膜処理を順次施すことにより、前記凹凸パターンの凹部に前記成膜物質を埋め込む縦型基板処理装置の作動を制御可能な制御装置であって、
   前記制御装置は、モデル記憶部を有し、
   前記モデル記憶部には、前記成膜処理で前記成膜ガスを供給する際の第１の供給時間と、前記エッチング処理で前記エッチングガスを供給する際の第２の供給時間と、前記再成膜処理で前記成膜ガスを供給する際の第３の供給時間との組み合わせを含む処理時間が、前記基板上の前記成膜物質の膜厚に与える影響を表す、処理時間−膜厚モデルが記憶されており、
   前記モデル記憶部に記憶されている前記処理時間−膜厚モデルに基づいて、前記成膜処理、前記エッチング処理及び前記再成膜処理に対する最適な時間配分を算出する、
   制御装置。
7. 前記モデル記憶部には更に、
   前記基板の温度が、前記成膜物質の成膜量に与える影響を表す、第１のプロセスモデルと、
   前記成膜ガスの流量が、前記成膜物質の成膜量に与える影響を表す、第２のプロセスモデルと、
   前記処理容器内の圧力が、前記成膜物質の成膜量に与える影響を表す、第３のプロセスモデルと、
   前記基板の温度と、前記ヒータの設定温度と、の関係を表す、熱モデルと、
   が記憶されている、請求項６に記載の制御装置。
8. 前記モデル記憶部には更に、
   前記基板の温度が、前記成膜物質のエッチング量に与える影響を表す、第４のプロセスモデルと、
   前記エッチングガスの流量が、前記成膜物質のエッチング量に与える影響を表す、第５のプロセスモデルと、
   前記処理容器内の圧力が、前記成膜物質のエッチング量に与える影響を表す、第６のプロセスモデルと、
   が記憶されている、請求項６又は７に記載の制御装置。

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