(57)【要約】【課題】  基板裏面温度を温度センサにて非接触で測定することにより、基板から温度センサへの熱移動を阻止して基板裏面温度を正確に測定し、基板の汚染と損傷を防止する。【解決手段】  半導体基板１１の表面１１ａに、この半導体基板の表面上方に設けられかつコントローラ１６により制御される光源１３から光を照射することにより、半導体基板を熱処理する。この熱処理に際し、半導体基板の裏面下方に設けられた温度センサ１４により半導体基板の裏面温度を非接触で測定した後、この測定された裏面温度と半導体基板の厚さ及び熱伝導率と半導体基板の裏面の昇温速度及び降温速度とから半導体基板の表面温度を推定し、更にこの推定して得られた表面温度が所定の昇温速度及び所定の降温速度で変化するように光源の出力をコントローラが制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内に水平に配置された半導体基板(11)の厚さ及び熱伝導率と前記半導体基板(11)の裏面(11b)の昇温速度及び降温速度とが既知であり、前記半導体基板(11)の表面(11a)又は表面(11a)及び裏面(11b)に、この半導体基板(11)の表面上方又は表面上方及び裏面下方に設けられかつコントローラ(16)により制御される光源(13)から光を照射することにより、前記半導体基板(11)を熱処理するに際して、
前記半導体基板(11)の裏面下方に設けられた温度センサ(14)により前記半導体基板(11)の裏面温度(11b)を非接触で測定する工程と、
前記温度センサ(14)により測定された裏面温度(TB)と前記半導体基板(11)の厚さ及び熱伝導率と前記半導体基板(11)の裏面(11b)の昇温速度及び降温速度とから前記半導体基板(11)の表面温度(TF)を推定する工程と、
前記推定して得られた表面温度(TF)が所定の昇温速度及び所定の降温速度で変化するように前記光源(13)の出力を前記コントローラ(16)が制御する工程と
を含むことを特徴とする半導体基板の熱処理方法。
【請求項２】
半導体基板(11)の厚さ及び熱伝導率と前記半導体基板(11)の裏面(11b)の昇温速度及び降温速度とから予め実験により前記半導体基板(11)の表面温度推定式を構築し、この表面温度推定式に前記半導体基板(11)の裏面温度(TB)の測定値を代入することにより、前記半導体基板(11)の表面温度(TF)を推定する請求項１記載の半導体基板の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板を熱処理するに際し、半導体基板の裏面温度の測定値から半導体基板の表面温度を推定して、その表面温度を制御する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のデバイス構造の微細化に伴い、半導体基板を高温で短時間に熱処理することにより、半導体基板中の不純物の濃度分布制御が重要になってきている。しかしながら、従来から用いられてきたバッチ式熱処理方法では、半導体基板の昇温速度及び降温速度が一般的に０．１℃／秒以下と非常に緩やかであるため、半導体基板中の不純物の濃度分布を厳密に制御することが困難であった。
この点を解消するために、より短時間で半導体基板の熱処理を完了するランプアニール（Rapid Thermal Anneal又はLamp Anneal）法や、更に短時間で半導体基板の熱処理を完了するスパイクランプアニール法（Spike Rapid Thermal Anneal又はSpike Lamp Anneal）又はフラッシュランプアニール（Flash Rapid Thermal Anneal又はFlash Lamp Anneal）法などが採用されつつある。上記ランプアニール法、スパイクランプアニール法又はフラッシュランプアニール法では、不純物の深さ方向の分布を狭い範囲で制御するために、非常に高速（昇温速度：１００℃／秒以上）に所定の温度まで上昇させ、かつその温度から急速（降温速度：１００℃／秒以上）に冷却させ、これにより半導体基板を極めて短時間で熱処理できる。
【０００３】
しかし、上記ランプアニール法、スパイクランプアニール法又はフラッシュランプアニール法では、半導体基板への光の照射方法や半導体基板の支持方法によっては、半導体基板の表面と裏面との間に数十℃から１００℃以上に達する大きな温度差が発生する。このため水平に配置された半導体基板の表面に、この半導体基板の表面上方に設けられかつコントローラにより制御される光源から光を照射することにより、半導体基板を熱処理するとともに、この半導体基板の裏面温度を温度センサにより測定し、この温度センサにより測定された裏面温度に基づいてコントローラが光源の出力を制御すると、半導体基板の裏面温度と表面温度との間の大きな温度差が発生する。この結果、半導体基板表面の設定昇温速度及び設定降温速度と半導体基板表面の実測昇温速度及び実測降温速度との間にずれが生じてしまい、半導体基板中の不純物の濃度分布を厳密に制御できない問題点があった。
【０００４】
この点を解消するために、光源からの光照射により加熱される半導体基板の温度を温度測定装置の熱電対により接触式で測定し、この測定した温度を光源の出力にフィードバックして、半導体基板の温度を所定の範囲内に保持するように光源の出力を調節する閉回路制御を行う熱処理工程における温度制御方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この温度制御方法では、温度測定装置の熱電対が被覆部材により被覆され、この被覆部材の基板との接触部周辺が熱伝導率の高い材料で形成され、かつ被覆部材の基板との接触部周辺を除く部分が光透過率の高い材料又は光の反射率の高い材料で形成される。
このように構成された熱処理工程における温度制御方法では、被覆部材の基板との接触部周辺が熱伝導性の高い材料からなるので、基板の熱がこの被覆部材を通して速やかに熱電対に伝わり、被覆部材の基板との接触部周辺以外の部分が光透過率又は光反射率の高い材料からなるので、この部分の被覆部材は光を殆ど吸収しない。この結果、上記温度測定装置により基板の温度を正確に測定できるようになっている。また上記温度測定装置により測定した基板の温度を光源の出力にフィードバックして、基板を所定の温度に制御するので、膜構造、膜質、不純物濃度等による輻射率や光吸収量が変化する基板を熱処理する場合であっても、基板の温度を精度良く制御できるようになっている。
【０００５】
一方、基板表面を加熱要素により加熱しかつ基板裏面の温度を複数の温度センサにより測定し、これら温度センサのそれぞれの仮の温度補正値に基づいて基板のシミュレーションされた温度プロファイルを計算し、このシミュレーションされた温度プロファイルと実際の温度プロファイルを算術的に組合せて予想温度プロファイルを形成し、上記予想温度プロファイルが基板裏面にわたって実質的に均一になるまで上記温度プロファイルの計算及び予想温度プロファイルの形成を繰返すことにより温度補正値の最終値をそれぞれ決定し、更にプロセッサが温度センサの対応する１つから引続き求めた温度測定値のオフセットとして各最終値を用いる機能を実行して基板の実際の温度プロファイルを求める基板温度測定システムが開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
このように構成された基板温度測定システムでは、基板の処理中に、個々の温度センサ間の変動と特定の基板に対するそれぞれの位置の差に対する補正を行うので、より精度の高い温度測定値が得られ、温度の読取値の精度が高まる。この結果、チャンバにおいて処理される基板上の層をより均一にすることができるので、再現性及び均一性の優れた高信頼性の温度測定が可能となる。
【特許文献１】特開平１１−１６３０７０号公報（請求項１、段落［００５４］）
【特許文献２】特表２００２−５２２９１２号公報（請求項１８、段落［００１３］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来の特許文献１に示された熱処理工程における温度制御方法では、熱電対を被覆部材を介して基板に接触させるため、基板から被覆部材及び熱電対への熱移動が生じてしまい、基板自体の温度を正確に測定できないおそれがあった。
また、上記従来の特許文献１に示された熱処理工程における温度制御方法では、被覆部材の基板への接触により、基板を汚染したり、或いは基板を損傷する問題点もあった。
更に、上記従来の特許文献２に示された基板温度測定システムでは、個々の温度センサ間の変動と特定の基板に対するそれぞれの位置の差に起因する誤差を補正することにより、基板裏面全体の温度を正確に予測できるけれども、基板表面を所定の昇温速度で加熱しかつ所定の降温速度で冷却する場合、上記昇温速度及び降温速度が変化すると、基板の表面温度と裏面温度の差が変化するため、基板裏面全体の温度を正確に測定できても、基板の表面温度を正確に測定できない問題点があった。
本発明の目的は、基板裏面の温度を温度センサにて非接触で測定することにより、基板から温度センサへの熱移動を阻止して基板裏面の温度を正確に測定できるとともに、基板の汚染及び損傷を防止できる、半導体基板の熱処理方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、基板表面の昇温速度及び降温速度が変化して、基板の表面温度と裏面温度の差が変化しても、基板の裏面温度の測定値から基板の表面温度を正確に予測できる、半導体基板の熱処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、図１及び図２に示すように、チャンバ内に水平に配置された半導体基板１１の厚さ及び熱伝導率と半導体基板１１の裏面１１ｂの昇温速度及び降温速度とが既知であり、半導体基板１１の表面１１ａ又は表面１１ａ及び裏面１１ｂに、この半導体基板１１の表面上方又は表面上方及び裏面下方に設けられかつコントローラ１６により制御される光源１３から光を照射することにより、半導体基板１１を熱処理するに際して、半導体基板１１の裏面下方に設けられた温度センサ１４により半導体基板１１の裏面温度ＴBを非接触で測定する工程と、温度センサ１４により測定された裏面温度ＴBと半導体基板１１の厚さ及び熱伝導率と半導体基板１１の裏面１１ｂの昇温速度及び降温速度とから半導体基板１１の表面温度ＴFを推定する工程と、推定して得られた表面温度ＴFが所定の昇温速度及び所定の降温速度で変化するように光源１３の出力をコントローラ１６が制御する工程とを含むことを特徴とする半導体基板の熱処理方法である。
この請求項１に記載された半導体基板の熱処理方法では、先ず半導体基板１１の裏面温度ＴBを温度センサ１４により非接触で測定し、次に予測アルゴリズムに基づいて、即ち上記温度センサ１４により測定された裏面温度ＴBと半導体基板１１の厚さ及び熱伝導率と半導体基板１１の裏面１１ｂの昇温速度及び降温速度とに基づいて半導体基板１１の表面温度ＴFを正確に予測し、更にこの予測した表面温度ＴFに基づいてコントローラ１６が光源１３の出力を制御して、半導体基板１１の表面温度ＴFを所定の昇温速度及び降温速度で昇温及び降温する。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図１に示すように、半導体基板１１の厚さ及び熱伝導率と半導体基板１１の裏面１１ｂの昇温速度及び降温速度とから予め実験により半導体基板１１の表面温度推定式を構築し、この表面温度推定式に半導体基板１１の裏面温度ＴBの測定値を代入することにより、半導体基板１１の表面温度ＴFを推定することを特徴とする。
この請求項２に記載された半導体基板の熱処理方法では、先ず半導体基板１１の裏面温度ＴBを温度センサ１４により非接触で測定し、次に上記温度センサ１４により測定された裏面温度ＴBを表面温度推定式に代入して半導体基板１１の表面温度ＴFを正確に予測し、更にこの予測した表面温度ＴFに基づいてコントローラ１６が光源１３の出力を制御して、半導体基板１１の表面温度ＴFを所定の昇温速度及び降温速度で昇温及び降温する。
【発明の効果】
【０００９】
以上述べたように、本発明によれば、半導体基板を熱処理するに際し、この基板の裏面下方に設けられた温度センサにより基板の裏面温度を非接触で測定した後に、この温度センサにより測定された裏面温度と基板の厚さ及び熱伝導率と基板の裏面の昇温速度及び降温速度とから基板の表面温度を推定し、更にこの推定して得られた表面温度が所定の昇温速度及び所定の降温速度で変化するように光源の出力をコントローラが制御するので、基板から温度センサへの熱移動を阻止して基板裏面の温度を正確に測定できるとともに、基板の汚染及び損傷を防止でき、更に基板表面の昇温速度及び降温速度が変化して、基板の表面温度と裏面温度の差が変化しても、基板の裏面温度の測定値から基板の表面温度を正確に予測できる。この結果、半導体基板中の不純物の濃度分布を厳密に制御できる。
また半導体基板の厚さ及び熱伝導率と半導体基板の裏面の昇温速度及び降温速度とから予め実験により半導体基板の表面温度推定式を構築し、この表面温度推定式に半導体基板の裏面温度の測定値を代入することにより、半導体基板の表面温度を推定すれば、上記と同様に、基板表面の昇温速度及び降温速度の変化により、基板の表面温度と裏面温度の差が変化しても、基板の裏面温度の測定値から基板の表面温度を正確に予測できる。この結果、上記と同様に、半導体基板中の不純物の濃度分布を厳密に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、シリコン基板１１は基板支持具１２に載った状態で水平にチャンバ内に配置され、シリコン基板１１の表面１１ａ上方には複数の光源１３が水平方向に所定の間隔をあけかつシリコン基板１１の表面１１ａに光を照射可能に設けられる。光源１３としては、ハロゲンランプ、キノセンランプ等が用いられる。また基板支持具１２には貫通孔１２ａが形成され、シリコン基板１１の下方、即ち基板支持具１２の下方には貫通孔１２ａに対向して温度センサ１４が設けられる。温度センサ１４は、この実施の形態では、熱処理時のシリコン基板１１のような高温物体の放射する放射エネルギの総量が高温物体の絶対温度の４乗と高温物体の放射率の積に比例するというステファン−ボルツマンの法則を利用したパイロメータ（放射温度計）が用いられる。具体的には、この温度センサ１４は、熱処理時のシリコン基板１１の裏面１１ｂから基板支持具１２の貫通孔１２ａを通して放射される光を対物レンズによって集め、その焦点に受熱板を置いて、温度上昇をシリコンセルなどの感温素子で測定することにより、非接触方式でシリコン基板１１の裏面１１ｂ温度を測定できるようになっている。更に上記温度センサ１４の検出出力はコントローラ１６の制御入力に接続され、コントローラ１６の制御出力は光源の電源１７に接続される。なお、シリコン基板１１の厚さ及び熱伝導率は既知であり、熱処理時のシリコン基板１１の裏面１１ｂの昇温速度及び降温速度も既知である。
なお、この実施の形態では、水平に置かれたシリコン基板の上方に光源を配置したが、水平に置かれたシリコン基板の上方及び下方の双方に光源を配置してもよい。これは、基板支持具の形状及び材質によっては、シリコン基板の表面温度と裏面温度の差が発生することが知られており、シリコン基板の上方及び下方に光源が配置された熱処理方法にも本発明を適用できるからである。
また、この実施の形態では、半導体基板としてシリコン基板を挙げたが、炭化シリコン基板、ガリウム砒素基板などにも本発明を適用できる。
【００１１】
このように構成された熱処理装置を用いたシリコン基板１１の熱処理方法を図１及び図２に基づいて説明する。
先ずシリコン基板１１の裏面１１ｂ下方に設けられた温度センサ１４によりシリコン基板１１の裏面温度ＴBを非接触で測定する。次にコントローラ１６は上記温度センサ１４により測定された裏面温度ＴBとシリコン基板１１の厚さ及び熱伝導率とシリコン基板１１の裏面１１ｂの昇温速度及び降温速度とに基づいてシリコン基板１１の表面温度ＴFを推定する。このときシリコン基板１１の厚さ及び熱伝導率とシリコン基板１１の裏面１１ｂの昇温速度及び降温速度とから予め実験によりシリコン基板１１の表面温度推定式を構築しておけば、この表面温度推定式にシリコン基板１１の裏面温度ＴBの測定値を代入することにより、シリコン基板１１の表面温度ＴFを効率良く推定することができる。この表面温度推定式は、推定表面温度をＴFとし、シリコン基板１１の厚さをｔとし、シリコン基板１１の裏面温度の昇温速度及び降温速度をＲとするとき、ＴFはｔ及びＲの関数、即ちＴF＝ｆ（ｔ，Ｒ）で表される。更にこの推定して得られた表面温度ＴFが設定表面温度ＴSに一致する方向に、即ち推定して得られた表面温度ＴFが所定の昇温速度及び所定の降温速度で変化するように、コントローラ１６が電源１７を調整して光源１３の出力を変更する。この結果、シリコン基板１１の表面１１ａの昇温速度及び降温速度が変化して、シリコン基板１１の表面温度ＴFと裏面温度ＴBの差が変化しても、シリコン基板１１の裏面温度ＴBの測定値からシリコン基板１１の表面温度ＴFを正確に予測できるので、シリコン基板１１中の不純物の濃度分布を厳密に制御できる。
【実施例】
【００１２】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
シリコンウェーハの表面温度と裏面温度の差を実測により導出して、シリコン基板の表面温度を推定する表面温度推定式の構築手順を示す。先ず直径２００ｍｍのシリコン基板を用意した。このシリコン基板を基板支持具に載せてチャンバに水平に配置した。シリコン基板の裏面下方にはパイロメータを設置し、シリコン基板の裏面には熱電対を貼付した。電源を調節して光源の出力を変更する際に、シリコン基板の裏面温度をパイロメータ及び熱電対によりそれぞれ測定した。この熱電対としては、白金−白金ロジウムの熱電対を用いたが、約８００℃以上の高温領域では、シリコンと熱電対が反応してしまい熱電対を再利用できないため、実験毎に熱電対を交換した。またパイロメータと熱電対の測定結果の間で差異がないことを予め確認しておいた。
厚さの異なるシリコン基板についてシリコン基板の裏面温度の昇温速度及び降温速度を変化させたときに、シリコン基板の表面温度及び裏面温度の実測値から、シリコン基板の厚さが増加し、光源の出力変化によるシリコン基板の昇温速度及び降温速度が増加するにつれて、シリコン基板の表面温度と裏面温度の差が増大することが分かった。この結果から、シリコン基板の表面温度ＴFを推定する表面温度推定式（１）を求めた。
ＴF＝ＴB＋１．７７５×１０-5×ｔ2.151×Ｒ    ……（１）
上記式（１）において、ＴBはシリコン基板の裏面温度（℃）であり、ｔはシリコン基板の厚さ（ｍｍ）であり、Ｒは光源の出力変化によるシリコン基板の昇温速度（℃／秒）及び降温速度（℃／秒）である。
【００１３】
＜実施例２＞
シリコン基板の裏面温度の実測値から表面温度を推定するアルゴリズムを構築するために、予め数種類の厚さのシリコン基板と、数種類の光源出力変化によるシリコン基板の昇温速度及び降温速度とにより、上記表面温度と裏面温度の差を実測又はシミュレーションで導出しておく必要がある。
シリコン基板の厚さを７０５μｍ、７２５μｍ及び７４５μｍに変化させたときのシリコン基板の表面温度と裏面温度の差の計算機シミュレーション結果を図３に示す。このときのシリコン基板の直径は２００ｍｍであった。またこの計算機シミュレーションでは、シリコン基板の裏面温度を１００℃／秒で昇温させた。
図３から明らかなように、シリコン基板の厚さが７２５μｍである場合、表面温度と裏面温度の差は約２５℃であり、シリコン基板の厚さを７４５μｍと２０μｍ厚くすると、表面温度と裏面温度の差は約１．３℃拡大し、シリコン基板の厚さを７０５μｍと２０μｍ薄くすると、表面温度と裏面温度の差は約１．３℃縮小した。
【００１４】
一方、上記と同一条件でシリコン基板の表面温度及び裏面温度を熱電対で実測した。熱電対はその先端のみを熱容量の小さい炭化シリコンで被覆した。熱電対による実測の結果、上記計算機シミュレーションとほぼ同じ温度差となっていることを確認できた。またシリコン基板の裏面温度をパイロメータで実測した。熱電対とパイロメータでの実測結果は整合性があることを確認できた。
次に厚さ７２５μｍのシリコン基板を用いて、昇温速度及び降温速度を２５℃／秒から４００℃／秒の範囲で変化させた。計算機シミュレーションの結果、昇温速度及び降温速度の増大に比例して、表面温度と裏面温度の差も増大することが分かった。なお、熱電対を用いてシリコン基板の表面温度及び裏面温度を実測したところ、計算機シミュレーションとほぼ同じ結果となっていることを確認できた。
【００１５】
＜比較例１＞
特許文献１に記載されているように、厚さ７２５μｍのシリコン基板を１００℃／秒で昇温したときのシリコン基板の表面温度及び裏面温度を、測温部のみを炭化シリコンで被覆した熱電対を用いて実測した。その結果、シリコン基板の裏面温度は正確に測定できたけれども、シリコン基板の表面温度に関する情報は何も得られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明実施形態のシリコン基板の熱処理方法を示す構成図である。
【図２】その熱処理方法のフローチャートである。
【図３】厚さの異なるシリコン基板について昇温速度及び降温速度を変化させたときのシリコン基板の表面温度と裏面温度の差の計算値を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】
１１  シリコン基板（半導体基板）
１１ａ  シリコン基板の表面
１１ｂ  シリコン基板の裏面
１３  光源
１４  温度センサ
１６  コントローラ
ＴF  シリコン基板の表面温度
ＴB  シリコン基板の裏面温度
【図１】
2006135126.tif 000003
【図２】
2006135126.tif 000004
【図３】
2006135126.tif 000005