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JPH0722129B2 - Wafer temperature control system in oxidation / diffusion device - Google Patents
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JPH0722129B2 - Wafer temperature control system in oxidation / diffusion device - Google Patents

Wafer temperature control system in oxidation / diffusion device

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Publication number
JPH0722129B2
JPH0722129B2 JP24121685A JP24121685A JPH0722129B2 JP H0722129 B2 JPH0722129 B2 JP H0722129B2 JP 24121685 A JP24121685 A JP 24121685A JP 24121685 A JP24121685 A JP 24121685A JP H0722129 B2 JPH0722129 B2 JP H0722129B2
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JP
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wafer
temperature
oxidation
boat
diffusion
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錦司 杢屋
育雄 松葉
邦顕 松本
明 吉中
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、酸化・拡散装置内ウェハ温度制御システムに
関し、特に半導体プロセスの熱処理工程において、酸化
・拡散装置内へのウェハ列挿入・引出し時に発生する酸
化膜厚バラツキや熱応力による結晶欠陥を低減化するの
に好適な酸化・拡散装置内ウェハ温度制御システムに関
するものである。
Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a wafer temperature control system in an oxidation / diffusion apparatus, and is particularly generated when a wafer row is inserted into / drawn from an oxidation / diffusion apparatus in a heat treatment step of a semiconductor process. The present invention relates to a wafer temperature control system in an oxidation / diffusion apparatus suitable for reducing crystal defects due to variations in oxide film thickness and thermal stress.

〔発明の背景〕[Background of the Invention]

従来、半導体製造プロセスの熱処理工程において、酸化
・拡散装置による酸化・拡散処理が行われている。この
酸化・拡散処理は、ウェハ列をボートに乗せその酸化・
拡散装置の反応管内に挿入して、挿入されたウェハ列を
ボートローダにより移動させ、その後、引き出しを行う
ことによって処理が終了する。ボートローダによるウェ
ハ列移動の間に、反応管の外側壁に設けられたヒータコ
イルのオン・オフ制後により熱処理が行われる。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a heat treatment step of a semiconductor manufacturing process, an oxidation / diffusion process is performed by an oxidation / diffusion device. This oxidation / diffusion process puts a row of wafers on a boat and
The process is completed by inserting the wafer row into the reaction tube of the diffusion device, moving the inserted wafer row by the boat loader, and then withdrawing the wafer row. During the movement of the wafer row by the boat loader, the heat treatment is performed after the on / off control of the heater coil provided on the outer wall of the reaction tube.

このような酸化・拡散処理において、酸化・拡散装置へ
のウェハ列の挿入または引出しの際にうける温度変化
が、ウェハ内で不均一となり、応力を生じ結晶欠陥が生
じる。それがさらに著しくなると、ついには塑性変形を
起こす。したがって、温度変化を少なくするために、ウ
ェハ面の温度制御をする必要がある。この温度制御は、
実際のウェハ製造プロセスによって得られた経験則的な
データに基づいてウェハ列挿入・引出し時の速度パター
ン(ウェハ移動速度パターン)、および反応管壁プロフ
ァイルにより決めたヒータコイルのオン/オフ時間によ
り行っており、ウェハ列挿入・引出し時の速度パター
ン、および、反応管壁温度プロファイルの動的な制御は
ほとんど行なわれていなかった。さらに、近年のウェハ
大口径化(6インチ〜8インチ)に伴ない、ウェハ列挿
入・引出し時に過渡的に発生するウェハ面内温度差はさ
らに顕著となることが予想され、酸化膜厚バラツキ、お
よび熱応力による結晶欠陥の増加を引き起こし、半導体
製品の歩留りを低下させるという問題がある。
In such an oxidation / diffusion process, the temperature change that occurs when the wafer row is inserted into or pulled out from the oxidation / diffusion device becomes non-uniform within the wafer, causing stress and causing crystal defects. When it becomes more significant, it eventually undergoes plastic deformation. Therefore, it is necessary to control the temperature of the wafer surface in order to reduce the temperature change. This temperature control is
Based on the empirical data obtained from the actual wafer manufacturing process, the speed pattern (wafer moving speed pattern) at the time of wafer row insertion / withdrawal and the heater coil on / off time determined by the reaction tube wall profile However, the velocity pattern at the time of wafer row insertion / withdrawal and the dynamic control of the reaction tube wall temperature profile were hardly performed. Furthermore, with the recent increase in the diameter of wafers (6 to 8 inches), it is expected that the temperature difference in the wafer surface that transiently occurs at the time of inserting and withdrawing the wafer row will become more remarkable. In addition, there is a problem that crystal defects are increased by thermal stress and the yield of semiconductor products is reduced.

〔発明の目的〕[Object of the Invention]

本発明の目的は、このような従来の問題を解消し、半導
体製造プロセスの酸化・拡散装置による熱処理工程にお
いて、ウェハ列挿入・引出し時に過渡的に発生するウェ
ハ面内温度差に起因する酸化膜厚バラツキ、および熱応
力による結晶欠陥の低減化が図れる酸化・拡散装置内ウ
ェハ温度制御システムを提供することにある。
An object of the present invention is to solve such a conventional problem and to eliminate an oxide film caused by a temperature difference in a wafer surface that transiently occurs at the time of inserting / drawing a wafer row in a heat treatment process by an oxidation / diffusion device in a semiconductor manufacturing process. It is an object of the present invention to provide a wafer temperature control system in an oxidation / diffusion device, which can reduce thickness variation and crystal defects due to thermal stress.

〔発明の概要〕[Outline of Invention]

上記目的を達成するため、本発明の酸化・拡散装置内ウ
ェハ温度制御システムは、ウェハの酸化・拡散時のウェ
ハ径、ウェハ間隔、ボート移動速度等の半導体製造プロ
セスパラメータを計算機で総合的に制御して酸化・拡散
装置内のウェハ温度を制御するウェハ温度制御システム
において、 運転条件決定部からフィードバックされたウェハ温度デ
ータファイルを用いてウェハ面内熱応力分布および酸化
膜厚バラツキ値を計算機で方程式を解くことにより算出
する評価部と、 該評価部から上記ウェハ面内熱応力分布および酸化膜厚
バラツキ値を取り出し、これらと内部で設定されたウェ
ハ径、ウェハ間隔、ボート移動速度の条件値を反応管内
の輻射を主体とするウェハ、ボートおよび反応管壁に対
する熱収支方程式に代入することによりシミュレーショ
ンを行い、その結果により、予め要求されるウェハ面内
最大温度差の上限値を満たすようなウェハ温度過渡特性
を実現する管壁温度プロファイルおよびウェハ移動速度
パターンの最適組合わせを決定するとともに、上記シミ
ュレーションにより算出されたウェハ温度計算結果をウ
ェハ温度データファイルに格納して上記評価部にフィー
ドバックする運転条件決定部と、 該運転条件決定部で決定されたボート移動、停止および
管壁温度の閾値の時間的系列データが、該運転条件決定
部により設定されることにより、設定された該データに
基づいてボート移動速度パターンおよび管壁温度プロフ
ァイル酸化・拡散装置に与えるコントローラと、 該コントローラにより、上記反応管の管壁温度および移
動速度パターンデータに基づいて、ウェハ温度、ボート
挿入・引出し速度が制御され、それによりウェハ列の酸
化・拡散処理を行う酸化・拡散装置とを具備したことを
特徴としている。
In order to achieve the above object, the wafer temperature control system in the oxidation / diffusion apparatus of the present invention comprehensively controls a semiconductor manufacturing process parameter such as a wafer diameter, a wafer interval, and a boat moving speed at the time of oxidation / diffusion of a wafer by a computer. In the wafer temperature control system that controls the wafer temperature in the oxidation / diffusion device, the wafer temperature data file fed back from the operating condition determination unit is used to calculate the in-plane thermal stress distribution and the oxide film thickness variation value using a computer. And the in-plane thermal stress distribution and the oxide film thickness variation value are extracted from the evaluation unit, and the condition values of the wafer diameter, the wafer interval, and the boat moving speed set therein are calculated. By substituting into the heat balance equation for the wafer, the boat, and the wall of the reaction tube, which mainly consist of the radiation in the reaction tube, the stain And the result determines the optimum combination of the tube wall temperature profile and the wafer movement speed pattern that achieves the wafer temperature transient characteristics that satisfy the upper limit of the maximum temperature difference in the wafer surface required in advance. A wafer temperature calculation result calculated by the simulation is stored in a wafer temperature data file and is fed back to the evaluation unit, and an operating condition determining unit, and a threshold value for boat movement, stop, and pipe wall temperature determined by the operating condition determining unit. The time-series data of the boat is set by the operating condition determining unit so that the boat moving speed pattern and the pipe wall temperature profile are provided to the oxidation / diffusion device based on the set data, and the controller Based on the wall temperature of the reaction tube and the moving speed pattern data, E Ha temperature, boats insertion and withdrawal speed is controlled, thereby being characterized by comprising an oxidation-diffusion apparatus for performing an oxidation-diffusion process the wafer column.

〔発明の実施例〕Example of Invention

以下、本発明の一実施例を、図面により詳細に説明す
る。
An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

まず、本発明の原理的な説明をする。First, the principle of the present invention will be described.

酸化・拡散装置内へのウェハ列挿入・引出し時に過渡的
に発生するウェハ面内温度分布の過渡特性は、反応管壁
温度プロファイル、およびウェハ列移動速度の違いによ
り大きく変化する。しかし、反応管内のウェハ温度を直
接計測することは、シリコンウェハ表面の汚染等の問題
により現状不可能であり、ウェハ温度計測データにより
オンラインで管壁温度プロファイル、およびウェハ移動
速度を制御し、望ましいウェハ温度過渡特性を実現させ
ることは困難であった。この解決策として、予め、要求
されるウェハ面内最大温度差の上限値を満たすようなウ
ェハ温度過渡特性を実現する管壁温度プロファイル、お
よびウェハ移動速度パターンの最適組合せを、反応管内
熱現象を記述した物理モデル(ウェハ温度制御モデル)
によりシミュレーションをして決定し、この制御履歴を
実際の装置上で再現することにより効果的なウェハ面の
温度制御ができるようになる。
The transient characteristics of the in-plane temperature distribution of the wafer, which transiently occurs at the time of inserting / drawing the wafer row into / from the oxidation / diffusion device, largely changes due to the difference in the reaction tube wall temperature profile and the wafer row moving speed. However, it is impossible at present to directly measure the wafer temperature in the reaction tube due to problems such as contamination of the silicon wafer surface. It is desirable to control the tube wall temperature profile and the wafer moving speed online with the wafer temperature measurement data. It was difficult to realize the wafer temperature transient characteristics. As a solution to this, in advance, an optimal combination of a tube wall temperature profile and a wafer moving speed pattern that realizes a wafer temperature transient characteristic that satisfies the required upper limit value of the in-wafer maximum temperature difference is calculated by using the reaction tube thermal phenomenon. Described physical model (wafer temperature control model)
Thus, the temperature of the wafer surface can be effectively controlled by simulating and determining the control history and reproducing the control history on an actual device.

第1図は、本発明の一実施例を示す酸化・拡散システム
の全体構成図である。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of an oxidation / diffusion system showing an embodiment of the present invention.

第1図において、1はウェハ列の酸化・拡散処理を行う
酸化・拡散装置、2は酸化・拡散装置1の運転条件決定
部、3はウェハ面内熱応力,酸化膜厚バラツキ算出モデ
ルから構成される評価部、4は管壁温度,ボート挿入・
引出し速度を設定するためのPID(Proportional Integr
al and Derivative)コントローラである。
In FIG. 1, reference numeral 1 is an oxidation / diffusion device for performing oxidation / diffusion processing on a wafer row, 2 is an operating condition determination unit of the oxidation / diffusion device 1, and 3 is a model for calculating in-plane thermal stress of wafer and oxide film thickness variation calculation model. Evaluated part 4 is pipe wall temperature, boat insertion
PID (Proportional Integr) for setting the withdrawal speed
al and Derivative) controller.

このような構成の酸化・拡散システムにおいて、運転条
件決定部2は、まず、評価部3内の熱応力モデル,酸化
膜厚算出モデルから応力分布,および酸化膜厚バラツキ
値31を取出し、シミュレーションを行って、運転条件を
決定してボート移動パターンおよび管壁温度プロファイ
ルを与えるしきい値温度の時系列データ22をPIDコント
ローラ4に設定する。次に、PIDコントラーラ4は、酸
化・拡散装置1の反応管の管壁温度および移動速度パタ
ーンデータ44により装置内のウェハ温度を制御し、反応
管壁温度計測データ11を取り込んで時系列的な制御を行
うことができる。
In the oxidation / diffusion system having such a configuration, the operating condition determination unit 2 first extracts the stress distribution and the oxide film thickness variation value 31 from the thermal stress model and the oxide film thickness calculation model in the evaluation unit 3, and executes the simulation. Then, the operation conditions are determined, and the time series data 22 of the threshold temperature that gives the boat movement pattern and the pipe wall temperature profile is set in the PID controller 4. Next, the PID controller 4 controls the wafer temperature in the apparatus by the tube wall temperature and the moving speed pattern data 44 of the reaction tube of the oxidation / diffusion apparatus 1 and takes in the reaction tube wall temperature measurement data 11 to obtain a time series. Control can be performed.

第2図は、第1図の酸化・拡散装置1の内部構成図であ
る。
FIG. 2 is an internal configuration diagram of the oxidation / diffusion device 1 of FIG.

第2図において、110は反応管、120はウェハ列挿入・引
き出しに使用されるボートローダ、130は熱処理される
ウェハ列、140はウェハ列130を乗せて反応管110中を移
動するボート、150,151,152は反応管110の管壁を熱する
ヒーターコイル、160,161,162は管壁温度を計測する反
応管110中の代表点である。
In FIG. 2, 110 is a reaction tube, 120 is a boat loader used for inserting / drawing a wafer row, 130 is a wafer row to be heat-treated, 140 is a boat that carries the wafer row 130 and moves in the reaction tube 110, 150, 151, 152 Is a heater coil for heating the tube wall of the reaction tube 110, and 160, 161, 162 are representative points in the reaction tube 110 for measuring the tube wall temperature.

第3図は、本実施例による運転条件決定部2の内部構成
図である。
FIG. 3 is an internal configuration diagram of the operating condition determination unit 2 according to the present embodiment.

第3図において、210はウェハ温度制御モデルのシミュ
レーション条件を決定するシミュレーション条件設定
部、220は本発明の主要部をなすウェハ温度制御モデル
計算部、230はボート移動,停止,および管壁温度のし
きい値Tthuの時系列データ221が格納されるウェハ温度
制御履歴ファイル、240はウェハ温度計算結果222が格納
されるウェハ温度履歴ファイル、250は酸化膜厚バラツ
キ値31と要求される酸化膜厚均一精度との比較を行う比
較部である。
In FIG. 3, 210 is a simulation condition setting unit that determines the simulation conditions of the wafer temperature control model, 220 is a wafer temperature control model calculation unit that is a main part of the present invention, and 230 is a boat movement, stop, and pipe wall temperature. Wafer temperature control history file that stores time series data 221 of threshold value Tthu, 240 is a wafer temperature history file that stores the wafer temperature calculation result 222, and 250 is the oxide film thickness variation value 31 and the required oxide film thickness. This is a comparison unit that performs comparison with uniform accuracy.

第4図は、第3図のウェハ温度制御モデル計算部220の
内部機能フローチャートである。
FIG. 4 is a flowchart of internal functions of the wafer temperature control model calculation unit 220 shown in FIG.

以下、第1図〜第4図を参照しながら本実施例によるウ
ェハ温度制御方式を説明する。
Hereinafter, the wafer temperature control method according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4.

まず、第2図に示す酸化・拡散装置1において、反応管
110へのウェハ列130の挿入時、過渡的に発生するウェハ
面内温度分布、特に、ウェハ面内最大温度差ΔTmaxを制
御する3ゾーン方式の管壁温度プロファイルとボート移
動速度パターンの最適組み合せ条件を運転条件決定部2
により決定する。
First, in the oxidation / diffusion apparatus 1 shown in FIG.
Optimal combination conditions of a three-zone tube wall temperature profile and a boat moving speed pattern for controlling the temperature distribution in the wafer surface that transiently occurs when inserting the wafer row 130 into the 110, in particular, the maximum temperature difference ΔTmax in the wafer surface. The operating condition determination unit 2
Determined by

ここで、以下、運転条件決定部2による運転条件決定方
式を説明する(第3図参照)。まず、シミュレーション
条件設定部210によりウェハ径,ウェハ間隔,ボート移
動速度等のプロセスパラメータ、および要求されるウェ
ハ面内最大温度差ΔTmaxthが設定される。次に、設定さ
れたデータ211がウェハ温度制御モデル計算部220に与え
られる。この制御モデル計算部220では、第4図に示す
ように、後述するウェハ温度,反応管壁温度を与える物
理モデルによる各時間ステップ毎のウェハ面内最大温度
差ΔTmaxが更新され、この値とΔTmaxthとの比較によ
り、以下の制御方策が決定される。
Here, the operating condition determining method by the operating condition determining unit 2 will be described below (see FIG. 3). First, the simulation condition setting unit 210 sets the process parameters such as the wafer diameter, the wafer interval, the boat moving speed, and the required maximum temperature difference ΔTmaxth in the wafer surface. Next, the set data 211 is given to the wafer temperature control model calculation unit 220. In this control model calculation unit 220, as shown in FIG. 4, the maximum temperature difference ΔTmax in the wafer surface at each time step is updated by a physical model that gives a wafer temperature and a reaction tube wall temperature, which will be described later, and this value and ΔTmaxth The following control measures are determined by comparison with

(a)ΔTmax≧ΔTmaxthの時 温度差を緩和するために、ボート(140)移動を停止さ
せる。
(A) When ΔTmax ≧ ΔTmaxth In order to reduce the temperature difference, the movement of the boat (140) is stopped.

(b)ΔTmax<ΔTmaxthの時 (i)ボート(140)移動が停止状態にあれば、ボート
(140)移動を再開する。
(B) When ΔTmax <ΔTmaxth (i) If the movement of the boat (140) is stopped, the movement of the boat (140) is restarted.

(ii)ボート(140)移動中であれば、3ゾーン方式の
管壁入口側のしきい値温度をΔTだけ増加させ、管壁温
度プロファイルを定常状態の場合のプロファイルに近づ
ける。
(Ii) If the boat (140) is moving, the threshold temperature on the pipe wall inlet side of the three-zone system is increased by ΔT to bring the pipe wall temperature profile close to the profile in the steady state.

上記(a),(b)の処理をウェハ移動終了まで繰返
し、ボート移動,停止,および管壁温度のしきい値Tthu
の時系列データ221が逐次、ウェハ温度制御履歴ファイ
ル230へ,また、ウェハ温度計算結果222がウェハ温度履
歴ファイル240へ保存される。このウェハ温度過渡特性
結果を基に、第1図に示した熱応力モデル,酸化膜厚算
出モデルからなる評価部3により、本ウェハ温度制御結
果の場合のウェハ面内熱応力分布,および、酸化膜厚バ
ラツキが計算される。この熱応力分布、および酸化膜厚
バラツキ値31は、ウェハの降伏応力,および本処理工程
で要求される酸化膜厚均一精度と比較部250により比較
され、妥当であれば、この時のウェハ温度過渡特性を実
際の装置上で再現させるために、先のウェハ温度制御履
歴ファイル230に格納されたボート移動パターン、およ
び管壁温度のしきい値の時系列データ22がPIDコントロ
ーラ4に設定される。
The above processes (a) and (b) are repeated until the wafer movement is completed, and the boat movement, stop, and tube wall temperature threshold Tthu
The time series data 221 are sequentially stored in the wafer temperature control history file 230, and the wafer temperature calculation result 222 is stored in the wafer temperature history file 240. Based on this wafer temperature transient characteristic result, the evaluation unit 3 including the thermal stress model and the oxide film thickness calculation model shown in FIG. Thickness variation is calculated. This thermal stress distribution and the oxide film thickness variation value 31 are compared with the yield stress of the wafer and the oxide film thickness uniformity accuracy required in this processing step by the comparison unit 250, and if appropriate, the wafer temperature at this time. In order to reproduce the transient characteristics on an actual device, the boat movement pattern stored in the previous wafer temperature control history file 230 and the time series data 22 of the threshold value of the tube wall temperature are set in the PID controller 4. .

一方、比較部250での評価結果が妥当でない場合には、
要求されるウェハ面内最大温度差ΔTmaxthを更新し、再
度、上記ウェハ温度制御モデルによるシミュレーション
を行う。
On the other hand, if the evaluation result of the comparison unit 250 is not valid,
The required maximum in-plane temperature difference ΔTmaxth is updated, and the simulation is performed again using the wafer temperature control model.

なお、評価部3を構成する熱応力モデル、酸化膜厚算出
モデルについては、ウェハ面内力のある場合の平板の微
小たわみ問題として、ウェハ面内2次元温度分布を有す
るシリコンウェハの平面応力状態を決定する応力算出モ
デル、およびDeal−Groveの酸化膜厚算出式等を利用す
ればよい。
Regarding the thermal stress model and the oxide film thickness calculation model that form the evaluation unit 3, the planar stress state of a silicon wafer having a two-dimensional temperature distribution in the wafer plane is taken as a problem of the micro-deflection of the flat plate when there is a force in the wafer plane. A stress calculation model to be determined, a Deal-Grove oxide film thickness calculation formula, and the like may be used.

さて、ウェハ温度制御モデル計算部220の中核となるウ
ェハ温度,反応管壁温度を与える物理モデルについて、
その一例を以下に示す。
Now, regarding the physical model that gives the wafer temperature and the reaction tube wall temperature, which are the core of the wafer temperature control model calculation unit 220,
An example is shown below.

対象とする酸化・拡散装置においては、シリコンあるい
は石英からなるボート140上に並べられたウェハ130が、
1000℃付近の高温に加熱された3ゾーン加熱方式の反応
管内へ挿入され、所定の熱処理を受けた後、反応管110
の外へ引出される。したがって、こと現象は、反応管11
0内のガスの影響を無視すれば、輻射を主体とするウェ
ハ,ボート,および反応管壁に対する熱収支方程式によ
り記述できる。今、ウェハ厚、ボート厚はその平面方向
の大きさに比べ十分小さいとし、厚さ方向の温度分布は
ないものとし、さらに、円筒状の反応管断面の温度分布
は軸対象であることを仮定すれば、次の連立偏微分方程
式系が導出できる。
In the target oxidation / diffusion device, the wafers 130 arranged on the boat 140 made of silicon or quartz are
After being inserted into a reaction tube of a three-zone heating system heated to a high temperature of around 1000 ° C. and subjected to a predetermined heat treatment, the reaction tube 110
Be pulled out of. Therefore, the phenomenon is that the reaction tube 11
Ignoring the effect of the gas in 0, it can be described by the heat balance equation for the wafer, the boat, and the reaction tube wall, which mainly consist of radiation. It is assumed that the wafer thickness and boat thickness are sufficiently smaller than the size in the plane direction, that there is no temperature distribution in the thickness direction, and that the temperature distribution in the cylindrical reaction tube cross section is axially symmetric. Then, the following system of simultaneous partial differential equations can be derived.

ウェハ; ボート; 反応管; cfef∂Tf(r,t)/∂t =V・{Kf(Tf)▽Tf(,t)}+q (3) 反応管壁上の境界条件; ここで、TWI(,t),Tb(,t),Tf(、t), は、それぞれ、第i番目のウェハ温度,ボート温度,反
応管温度,および反応管壁表面上温度を示す。Gnj
(,′)、 はそれぞれ、ウェハ間、管壁からウェハ、ボートからウ
ェハ、管壁からボート、ウェハからボート、ウェハから
管壁、および管壁間に対する形態係数を示す。また、
lW,lbはウェハ、ボートの長さ、(CW,Cb,Cf),(eW,e
b,ef),(εW,εb,εf),(aW,ab,af),(KW,Kb,K
f)はそれぞれ、ウェハ、ボート、反応管の比熱,密
度,輻射率,吸収率,熱伝導率である。σはステファン
・ボルツマン定数、dSW,dSb,dSfはそれぞれ、ウェハ、
ボート、管壁における面積要素、Σのnは輻射の反射回
数、▽は微分演算子を示す。(3)式右辺第2項に示す
qは反応管加熱量であり、第2時に示すような3ゾーン
方式の反応管加熱方式においては、反応管110の左部、
中央部、右部がそれぞれ独立にヒータコイル150,151,15
2により加熱でき、各部の代表点160,161,162の設定温度
(しきい値温度)Tthl,Tthc,Tthrと計測温度との比較に
より、各部独立にヒータ電流のON/OFF制御を行なうこと
により、希望する反応管壁温度プロファイルを実現させ
ている。したがって、上記(3)式で与えられる反応管
温度設定モデルにおいても、計算された反応管代表温度
としきい値温度との比較により、加熱量qのON/OFF制御
を行なっている。
Wafer; boat; Reaction tube; cfef ∂Tf (r, t) / ∂t = V ・ {Kf (Tf) ▽ Tf (, t)} + q (3) Boundary condition on reaction tube wall; Where T WI (, t), Tb (, t), Tf (, t), Indicate the i-th wafer temperature, boat temperature, reaction tube temperature, and reaction tube wall surface temperature, respectively. Gnj
(, ′), Indicate the form factors for wafer to wafer, tube wall to wafer, boat to wafer, tube wall to boat, wafer to boat, wafer to tube wall, and tube wall to tube wall, respectively. Also,
l W , lb is wafer, boat length, (C W , Cb, Cf), (e W , e
b, ef), (ε W , εb, εf), (a W , ab, af), (K W , Kb, K
f) is the specific heat, density, emissivity, absorptivity, and thermal conductivity of the wafer, boat, and reaction tube, respectively. σ is the Stefan-Boltzmann constant, dS W , dSb, dSf are wafers,
Area elements in boats and pipe walls, n in Σ represents the number of times of reflection of radiation, and ∇ represents a differential operator. Q in the second term on the right side of the equation (3) is the heating amount of the reaction tube.
Heater coils 150, 151, 15 are independent in the center and right
2 can be heated, and by comparing the set temperature (threshold temperature) Tthl, Tthc, Tthr of the representative points 160, 161, 162 of each part with the measured temperature, the heater current ON / OFF control can be performed independently for each part to achieve the desired reaction. The pipe wall temperature profile is realized. Therefore, also in the reaction tube temperature setting model given by the above equation (3), ON / OFF control of the heating amount q is performed by comparing the calculated reaction tube representative temperature with the threshold temperature.

以上のウェハ温度制御モデルによるシミュレーション解
析例を管壁温度プロファイルを一定とし、ウェハ挿入速
度を低速にした場合(A方式)と管壁温度プロファイル
を全体的に低くしておき、高速にウェハ列を移動させた
後、方式Aの場合の管壁温度プロファイルまで昇温させ
た場合(B方式)につき、そのウェハ温度過渡特性結果
を第5図に示す。また、第6図には、各方式における管
壁温度プロファイルと3ゾーン加熱方式における反応管
左部、中央、右部のしきい値温度Tthl,Tthc,Tthrをそれ
ぞれ示した。
A simulation analysis example based on the wafer temperature control model described above is performed when the tube wall temperature profile is kept constant and the wafer insertion speed is set to be low (method A), and the tube wall temperature profile is set to a low value so that the wafer row can be quickly moved. FIG. 5 shows the results of the wafer temperature transient characteristics when the temperature was raised to the tube wall temperature profile in the case of method A (method B) after the movement. Further, FIG. 6 shows the tube wall temperature profile in each system and the threshold temperatures Tthl, Tthc, Tthr in the left, center and right portions of the reaction tube in the three zone heating system, respectively.

このように、本実施例においては、酸化膜厚バラツキ、
および熱応力による結晶欠陥の要因となる酸化・拡散装
置へのウェハ列挿入・引出し時に過渡的に発生するウェ
ハ面内温度差を目標値に制御しうる管壁温度プロファイ
ル、およびボート移動パターンの最適組合せを実際の装
置上で実現できるので、酸化膜厚バラツキ、および結晶
欠陥を低減できる。
As described above, in the present embodiment, variations in oxide film thickness,
Optimizing the pipe wall temperature profile and the boat movement pattern that can control the temperature difference in the wafer surface that transiently occurs when inserting / drawing the wafer row into / out of the oxidation / diffusion device, which causes crystal defects due to thermal stress Since the combination can be realized on an actual device, variations in oxide film thickness and crystal defects can be reduced.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、本発明によれば、半導体プロセス
酸化・拡散装置による熱処理工程において、ウェハ挿入
・引出し時に発生するウェハ面内温度差に起因する酸化
膜厚バラツキ、および熱応力による結晶欠陥の低減化が
図れ、製造される半導体素子の歩留りを向上させること
ができる。
As described above, according to the present invention, in the heat treatment process by the semiconductor process oxidation / diffusion device, the variation in the oxide film thickness caused by the temperature difference in the wafer surface occurring at the time of wafer insertion / extraction and the crystal defect due to the thermal stress are caused. It is possible to reduce the yield, and it is possible to improve the yield of manufactured semiconductor elements.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施例を示す酸化・拡散システム構
成図、第2図は第1図の酸化・拡散装置の内部構成図、
第3図は第1図の運転条件決定部の内部構成図、第4図
は第3図のウェハ温度制御モデル計算部の内部機能フロ
ーチャート、第5図は本実施例によるウェハ温度過渡特
性結果を示す図、第6図は本実施例による反応管壁温度
プロファイルを示す図である。 1:酸化・拡散装置、2:運転条件決定部、3:熱応力モデ
ル、酸化膜厚算出モデルから構成される評価部、4:PID
コントローラ、11:反応管温度計測データ、22:ウェハ温
度制御モデルにより決定されたボート移動パターン、お
よび管壁温度プロファイルを与えるしきい値温度の時系
列データ、21:ウェハ温度過渡特性のモデル計算結果。
1 is an oxidation / diffusion system configuration diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an internal configuration diagram of the oxidation / diffusion device of FIG. 1,
FIG. 3 is an internal block diagram of the operating condition determination unit of FIG. 1, FIG. 4 is a flowchart of the internal function of the wafer temperature control model calculation unit of FIG. 3, and FIG. 5 is a wafer temperature transient characteristic result of this embodiment. FIG. 6 and FIG. 6 are views showing the reaction tube wall temperature profile according to this example. 1: Oxidation / diffusion device, 2: Operating condition determination part, 3: Thermal stress model, evaluation part composed of oxide film thickness calculation model, 4: PID
Controller, 11: Reaction tube temperature measurement data, 22: Boat movement pattern determined by wafer temperature control model, and time series data of threshold temperature that gives tube wall temperature profile, 21: Model calculation result of wafer temperature transient characteristics .

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ウェハの酸化・拡散時のウェハ径、ウェハ
間隔、ボート移動速度等の半導体製造プロセスパラメー
タを計算機で総合的に制御して酸化・拡散装置内のウェ
ハ温度を制御するウェハ温度制御システムにおいて、 運転条件決定部からフィードバックされたウェハ温度デ
ータファイルを用いてウェハ面内熱応力分布および酸化
膜厚バラツキ値を計算機で方程式を解くことにより算出
する評価部と、 該評価部から上記ウェハ面内熱応力分布および酸化膜厚
バラツキ値を取り出し、これらと内部で設定されたウェ
ハ径、ウェハ間隔、ボート移動速度の条件値を反応管内
の輻射を主体とするウェハ、ボートおよび反応管壁に対
する熱収支方程式に代入することによりシミュレーショ
ンを行い、その結果により、予め要求されるウェハ面内
最大温度差の上限値を満たすようなウェハ温度過渡特性
を実現する管壁温度プロファイルおよびウェハ移動速度
パターンの最適組合わせを決定するとともに、上記シミ
ュレーションにより算出されたウェハ温度計算結果をウ
ェハ温度データファイルに格納して上記評価部にフィー
ドバックする運転条件決定部と、 該運転条件決定部で決定されたボート移動、停止および
管壁温度の閾値の時間的系列データが、該運転条件決定
部により設定されることにより、設定された該データに
基づいてボート移動速度パターンおよび管壁温度プロフ
ァイルを酸化・拡散装置に与えるコントローラと、 該コントローラにより、上記反応管の管壁温度および移
動速度パターンデータに基づいて、ウェハ温度、ボート
挿入・引出し速度が制御され、それによりウェハ列の酸
化・拡散処理を行う酸化・拡散装置と を具備したことを特徴とする酸化・拡散装置内ウェハ温
度制御システム。
1. A wafer temperature control for controlling a wafer temperature in an oxidation / diffusion apparatus by comprehensively controlling a semiconductor manufacturing process parameter such as a wafer diameter, a wafer interval, a boat moving speed, etc. at the time of oxidation / diffusion of a wafer by a computer. In the system, the wafer temperature data file fed back from the operating condition determination unit is used to calculate the in-plane thermal stress distribution and the oxide film thickness variation value by solving the equations in the computer, and The in-plane thermal stress distribution and the oxide film thickness variation value are extracted, and the wafer diameter, the wafer interval, and the condition value of the boat moving speed that are set internally are used for the wafer mainly composed of radiation in the reaction tube, the boat, and the reaction tube wall. A simulation is performed by substituting it into the heat balance equation, and the results show that the maximum wafer surface The optimum combination of the tube wall temperature profile and the wafer movement speed pattern that achieves the wafer temperature transient characteristics that satisfy the upper limit of the temperature difference is determined, and the wafer temperature calculation result calculated by the above simulation is stored in the wafer temperature data file. The operating condition determining unit that stores and feeds back to the evaluating unit, and the time series data of the threshold values of boat movement, stop, and pipe wall temperature determined by the operating condition determining unit are set by the operating condition determining unit. Thereby, based on the set data, a controller that gives a boat moving speed pattern and a tube wall temperature profile to the oxidation / diffusion device, and the controller, based on the tube wall temperature and moving speed pattern data of the reaction tube, The wafer temperature and the boat insertion / extraction speed are controlled, which allows the wafer Column oxidation and diffusion device wafer temperature control system characterized by comprising an oxidation-diffusion apparatus for performing an oxidation-diffusion process.
【請求項2】上記運転条件決定部は、ウェハ面温度の上
限値を設定することを特徴とする特許請求の範囲第1項
記載の酸化・拡散装置内ウェハ温度制御システム。
2. The wafer temperature control system in the oxidation / diffusion apparatus according to claim 1, wherein the operating condition determination unit sets an upper limit value of the wafer surface temperature.
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