(57)【要約】【課題】シート抵抗に基づいて熱処理温度を正確に求めることができる温度測定方法および、簡便な熱処理装置の温度管理方法を提供する。【解決手段】不純物としてボロンを導入した複数のシリコン単結晶基板１を、９００℃〜１０５０℃の温度範囲に属する複数の温度でそれぞれ熱処理し、当該温度範囲における、不純物導入層１１のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する。上記温度範囲に属する測定対象の温度で他の上記不純物を導入したシリコン単結晶基板１を熱処理した後、当該シリコン単結晶基板１の不純物導入層１１のシート抵抗を測定する。そして、当該測定されたシート抵抗と、上記予め取得した、シート抵抗と熱処理温度の関係に基づいて、測定対象温度を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理装置内の温度を測定する温度測定方法において、
不純物としてボロンを導入した複数のシリコン単結晶基板を、９００℃を下限とする所定の温度範囲に属する複数の温度でそれぞれ熱処理し、当該温度範囲における、熱処理された前記シリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する工程と、
他の前記不純物を導入したシリコン単結晶基板を、前記温度範囲に属する測定対象の温度で熱処理する工程と、
前記測定対象温度で熱処理されたシリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗を測定する工程と、
前記測定されたシート抵抗と、前記予め取得した、シート抵抗と熱処理温度の関係に基づいて、前記測定対象温度を求める工程と、
を含むことを特徴とする、温度測定方法。
【請求項２】
前記不純物導入層のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する所定の温度範囲の上限温度が１０５０℃である請求項１記載の温度測定方法。
【請求項３】
熱処理装置内の温度を測定する温度測定方法において、
不純物としてヒ素またはリンを導入した複数のシリコン単結晶基板を、７５０℃を下限とする所定の温度範囲に属する複数の温度でそれぞれ熱処理し、当該温度範囲における、熱処理された前記シリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する工程と、
他の前記不純物を導入したシリコン単結晶基板を、前記温度範囲に属する測定対象の温度で熱処理する工程と、
前記測定対象温度で熱処理されたシリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗を測定する工程と、
前記測定されたシート抵抗と、前記予め取得した、シート抵抗と熱処理温度の関係に基づいて、前記測定対象温度を求める工程と、
を含むことを特徴とする、温度測定方法。
【請求項４】
前記不純物導入層のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する所定の温度範囲の上限温度が９００℃である請求項３記載の温度測定方法。
【請求項５】
熱処理装置内の温度を測定する温度測定方法において、
第１の不純物を導入した複数のシリコン単結晶基板を、９０％以上かつ１００％以下の電気的活性化率が得られる第１の温度範囲に属する複数の温度でそれぞれ熱処理し、当該温度範囲における、熱処理された前記シリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する工程と、
第２の不純物を導入した複数のシリコン単結晶基板を、９０％以上かつ１００％以下の電気的活性化率が得られる第２の温度範囲に属する複数の温度でそれぞれ熱処理し、当該温度範囲における、熱処理された前記シリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する工程と、
測定対象の温度が前記第１の温度範囲に属する場合、前記第１の不純物を導入したシリコン単結晶基板を選択し、測定対象の温度が前記第２の温度範囲に属する場合、前記第２の不純物を導入したシリコン単結晶基板を選択するステップと、
前記選択されたシリコン単結晶基板を、測定対象の温度で熱処理する工程と、
前記測定対象温度で熱処理されたシリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗を測定する工程と、
前記測定されたシート抵抗と、前記選択されたシリコン単結晶基板について、予め取得したシート抵抗と熱処理温度の関係に基づいて、前記測定対象温度を求める工程と、
を含むことを特徴とする、温度測定方法。
【請求項６】
前記測定対象温度での熱処理時間が０秒より長く６０秒以下である請求項１から５のいずれか１項に記載の温度測定方法。
【請求項７】
複数台の熱処理装置間に適用される熱処理装置の温度管理方法であって、
第１の熱処理装置において、不純物を導入した複数のシリコン単結晶基板を、９０％以上かつ１００％以下の電気的活性化率が得られる温度範囲に属する複数の設定温度でそれぞれ熱処理し、当該温度範囲における、熱処理された前記シリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗と設定温度との関係を取得する工程と、
第２の熱処理装置において、他の前記不純物を導入したシリコン単結晶基板を、前記温度範囲に属する設定温度で熱処理する工程と、
前記第２の熱処理装置において熱処理されたシリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗を測定する工程と、
前記測定されたシート抵抗と、前記予め第１の熱処理装置において取得した、シート抵抗と設定温度の関係に基づいて、第１の熱処理装置の設定温度と前記第２の熱処理装置の設定温度とを対応づける工程と、
を有することを特徴とする熱処理装置の温度管理方法。
【請求項８】
前記第２の熱処理装置において熱処理される、不純物を導入したシリコン単結晶基板が、現実の半導体装置が形成された半導体基板である、請求項７記載の熱処理装置の温度管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は温度測定方法および熱処理装置の温度管理方法に関するものであり、さらに詳しくはシート抵抗を利用した温度測定方法および熱処理装置の温度管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路装置（以下、半導体装置という。）の製造工程には、熱酸化膜形成工程、不純物拡散工程など様々な熱処理工程が含まれている。これらの熱処理工程では、電気炉を用いて数時間の熱処理を行う長時間熱処理や、赤外線ランプなどを用いて数秒間から数分間の熱処理を行う短時間熱処理（ＲＴＰ：Rapid Thermal Process）が行われている。このような熱処理工程では、均質で再現性の良い熱処理を実現するために、熱処理中の半導体基板の温度を厳密に管理する必要がある。
【０００３】
長時間熱処理に使用される装置として、例えば、バッチ式の電気炉がある。バッチ式の電気炉では、石英やシリコンカーバイト製の炉芯管内で複数枚の半導体基板の熱処理が同時に行われる。このような長時間熱処理では、炉芯管内の温度が安定した状態（定常状態）で熱処理が行われるため、熱処理中の半導体基板の温度と処理室（炉芯管）内の温度とがほぼ一致している。このため、処理室内部あるいは処理室外部の複数箇所の配設された熱電対等の温度計測装置により計測された温度に基づいて温度制御を行うことにより、比較的に正確に温度管理を行うことができる。
【０００４】
一方、短時間熱処理に使用される熱処理装置として、例えば、枚葉式のランプＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置がある。枚葉式のランプＲＴＰ装置では、半導体基板を１枚だけ収容可能なチャンバ内で熱処理が行われる。このような短時間熱処理では、半導体基板の温度が、室温あるいはそれに近い温度から所定の熱処理温度である１０００℃近辺まで短時間で昇温されることにより熱処理が行われる。このような急激な温度変化が生じている状況下では、熱処理中の半導体基板の温度と処理室（チャンバ）内の温度とは一致していない。このため、短時間熱処理では、半導体基板の温度を計測する温度計測装置が設けられ、当該温度計測装置が測定した温度に基づいて行われている。
【０００５】
このような温度計測装置として、半導体基板裏面からの輻射熱（電磁波）を計測するパイロメータなどを使用する非接触式の装置や、半導体基板裏面に直接取り付けた熱電対などを使用する接触式の装置がある。しかしながら、このような温度計測装置であっても、半導体基板の急激な温度変化に完全に追従することはできないため、温度計測装置の表示温度と、現実の基板温度とは一致しない。
【０００６】
また、このような温度計測装置では、計測温度が、パイロメータに輻射光を誘導する光プローブ等の装置への取り付け精度や熱電対の基板裏面への取り付け精度に大きく左右される。さらに、半導体基板に熱電対を直接取り付ける方式では、半導体基板の加熱時に熱電対も加熱される。半導体基板と熱電対の比熱は同一ではないため、半導体基板と熱電対の温度上昇が同一にならない。このような現象も、半導体基板の温度の正確な計測を困難にする一因となっている。
【０００７】
この対策として、半導体基板の温度を直接測定する種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１に開示された技術では、イオン注入した温度モニタ用の半導体基板を用意し、この半導体基板を熱処理装置に導入している。この半導体基板に対して７２０℃以下で熱処理を行って、この半導体基板のシート抵抗を測定する。そして、予め求めていたシート抵抗と熱処理温度との関係から、熱処理工程における半導体基板の温度、および半導体基板内の温度分布を求めることができるものである。
【特許文献１】特開２０００−２０８５２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１に開示された技術では、温度モニタ用半導体基板におけるシート抵抗と温度との関係を正確に求めておくことが重要である。しかしながら、一般に半導体装置の製造工程で使用されるすべての温度範囲、すなわち約４００℃〜１２００℃の温度範囲で、上記シート抵抗と温度との関係を正確に求めることが困難であることが本発明者らの検討により明らかとなった。つまり、測定されたシート抵抗の値から正確な温度を求めることができる領域が限定されるのである。したがって、特許文献１に開示された技術は、半導体基板の正確な温度を測定するという観点では、不十分な技術であるといえる。
【０００９】
近年の半導体装置の製造工程では、半導体装置の微細化に伴って、浅い接合を安定して形成することが求められており、ＲＴＡ装置では、熱処理温度を厳密に管理することが必須となっている。上記特許文献１に記載された技術では、このような厳密な温度管理が必要とされる熱処理装置の温度管理を行うための十分な温度精度が得られないのである。
【００１０】
また、温度測定方法として、上記のようなシート抵抗に代えて、半導体基板の加熱時に基板表面に形成される、熱酸化膜の膜厚を利用して温度を管理する方法がある。しかしながら、温度管理に利用できる程度の膜厚の酸化膜を形成するためには、熱処理時間を長時間にする必要がある。また、酸化膜厚の温度依存性も小さいため、短時間熱処理での温度管理には不向きであるという問題点があった。
【００１１】
一方、半導体装置の製造工程において上述のような熱処理装置を複数台使用する場合、各熱処理装置間の温度差をなくすることが必要である。すなわち、各熱処理装置のいずれの装置においても、装置の設定温度を、例えば、９５０℃とすれば、実際の熱処理温度も９５０℃となる状態に管理する必要がある。従来、このような熱処理装置の温度管理は、熱処理装置ごとに、設定温度と実測温度との校正が行われており、非常に煩雑であるという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、シート抵抗に基づいて熱処理温度を正確に求めることができる温度測定方法および、簡便な熱処理装置の温度管理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために本発明は、以下の技術的手段を採用している。すなわち、本発明の温度測定方法は、まず、不純物としてボロンを導入した複数のシリコン単結晶基板を、９００℃を下限とする所定の温度範囲に属する複数の温度でそれぞれ熱処理する。当該熱処理されたシリコン単結晶基板のシート抵抗をそれぞれ計測することにより、当該温度範囲における、熱処理されたシリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する。次いで、他の上記不純物を導入したシリコン単結晶基板を、上記温度範囲に属する測定対象の温度で熱処理した後、当該シリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗を測定する。そして、当該測定されたシート抵抗と、上記予め取得した、シート抵抗と熱処理温度の関係に基づいて、測定対象温度を求める。この場合、上記不純物導入層のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する所定の温度範囲の上限温度は１０５０℃とすることができる。
【００１４】
また、本発明の他の温度測定方法は、まず、不純物としてヒ素またはリンを導入した複数のシリコン単結晶基板を、７５０℃を下限とする所定の温度範囲に属する複数の温度でそれぞれ熱処理する。当該熱処理されたシリコン単結晶基板のシート抵抗をそれぞれ計測することにより、当該温度範囲における、熱処理されたシリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する。次いで、他の上記不純物を導入したシリコン単結晶基板を、前記温度範囲に属する測定対象の温度で熱処理した後、当該シリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗を測定する。そして、当該測定されたシート抵抗と、上記予め取得した、シート抵抗と熱処理温度の関係に基づいて、測定対象温度を求める。この場合、上記不純物導入層のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する所定の温度範囲の上限温度は、９００℃とすることができる。
【００１５】
本発明のさらに他の温度測定方法は、第１の不純物を導入した複数のシリコン単結晶基板を、９０％以上かつ１００％以下の電気的活性化率が得られる第１の温度範囲に属する複数の温度でそれぞれ熱処理する。当該熱処理されたシリコン単結晶基板のシート抵抗をそれぞれ計測することにより、当該温度範囲における、熱処理されたシリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する。また、第２の不純物を導入した複数のシリコン単結晶基板を、９０％以上かつ１００％以下の電気的活性化率が得られる第２の温度範囲に属する複数の温度でそれぞれ熱処理する。当該熱処理されたシリコン単結晶基板のシート抵抗をそれぞれ計測することにより、当該温度範囲における、熱処理されたシリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する。次いで、測定対象の温度に応じて、シリコン単結晶基板を選択する。すなわち、測定対象温度が上記第１の温度範囲に属する場合、上記第１の不純物を導入したシリコン単結晶基板を選択し、測定対象温度が上記第２の温度範囲に属する場合、上記第２の不純物を導入したシリコン単結晶基板を選択する。当該選択されたシリコン単結晶基板を、測定対象の温度で熱処理した後、当該シリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗を測定する。そして、測定されたシート抵抗と、上記選択されたシリコン単結晶基板について、予め取得したシート抵抗と熱処理温度の関係に基づいて、測定対象温度を求める。
【００１６】
以上の構成によれば、従来に比べて極めて正確に温度測定を行うことができる。特に、測定対象温度での熱処理時間が０秒より長く６０秒以下である場合に好適である。
【００１７】
一方、他の観点では、本発明は、複数台の熱処理装置間に適用される熱処理装置の温度管理方法を提供することができる。すなわち、本発明に係る熱処理装置の温度管理方法は、まず、第１の熱処理装置において、不純物を導入した複数のシリコン単結晶基板を、９０％以上かつ１００％以下の電気的活性化率が得られる温度範囲に属する複数の設定温度でそれぞれ熱処理する。当該熱処理されたシリコン単結晶基板のシート抵抗をそれぞれ計測することにより、当該温度範囲における、熱処理されたシリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗と熱処理温度との関係を取得する。次いで、第２の熱処理装置において、他の上記不純物を導入したシリコン単結晶基板を、上記温度範囲に属する設定温度で熱処理した後、当該熱処理されたシリコン単結晶基板の不純物導入層のシート抵抗を測定する。そして、測定されたシート抵抗と、上記予め第１の熱処理装置において取得した、シート抵抗と設定温度の関係に基づいて、第１の熱処理装置の設定温度と前記第２の熱処理装置の設定温度とを対応づける。
【００１８】
これにより、複数台の熱処理装置において、同一設定温度で実施される熱処理の熱処理温度を、極めて精度よく一致させることができる。なお、第２の熱処理装置において熱処理される、不純物を導入したシリコン単結晶基板として、現実の半導体装置が形成された半導体基板を使用してもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、シート抵抗に基づく温度を極めて正確に求めることができる。また、当該手法を用いて、複数台の熱処理装置間の設定温度を対応づけることにより、各熱処理装置において同一設定温度で実施される熱処理の熱処理温度を、極めて精度よく一致させることができる。この結果、熱処理工程を安定して行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は本発明による温度モニタ用半導体基板１（以下、モニタ用ウェハ１という。）の構成を示す断面図である。図１に示すように、温度モニタ用ウェハ１は、シリコン単結晶基板１０の表面に、イオン注入により不純物が導入された不純物導入層１１と、不純物導入層１１上に形成されたシリコン酸化膜１２を備えている。当該シリコン酸化膜１２は、熱処理時に、モニタ用ウェハ１中に導入された不純物がウェハ表面から外方拡散することを抑制する機能を有している。
【００２２】
図２は、モニタ用ウェハ１の形成過程を示す工程断面図である。図２（ａ）に示すように、まず、シリコン単結晶基板１０を、酸素またはＮ2Ｏなどの酸化雰囲気中で熱酸化することにより、膜厚が３ｎｍ程度のシリコン酸化膜１２が形成される。次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜１２を通じて、シリコン単結晶基板１０にイオン注入法によりホウ素イオンが導入される。注入条件は、加速電圧５ｋｅＶ、ドーズ量２×１０15ｃｍ-2である。これにより、シリコン単結晶基板１０の表面に、不純物導入層１１が形成される。この場合、不純物であるホウ素を注入しＰ型の不純物領域を形成するため、シリコン単結晶基板１０は反対導電型のＮ型とする。
【００２３】
本実施形態の温度測定方法では、まず、上述のモニタ用ウェハ１を急速加熱装置（ＲＴＡ装置）のウェハ支持台に設置し、９０％以上かつ１００％以下の電気的活性化率が得られる温度範囲に属する複数の温度でそれぞれ熱処理を行う。そして、熱処理が完了した各モニタ用ウェハ１の不純物導入層１１のシート抵抗を計測し、熱処理温度とシート抵抗の関係を取得する。ここで、電気的活性化率とは、導入した不純物濃度に対する電気的に活性化した不純物濃度の割合を指す。
【００２４】
図３は、シリコン単結晶基板にボロンをイオン注入した場合における、電気的活性化率と熱処理温度（アニール温度）との関係を示す図である。図３において、横軸は熱処理温度に対応し、縦軸は電気的活性化率に対応する。図３では、ボロンの加速電圧は３４ｋｅＶである。また、ドーズ量は、四角で示すデータが１×１０13ｃｍ-2、三角で示すデータが１×１０14ｃｍ-2、丸で示すデータが１×１０15ｃｍ-2である。
【００２５】
図３に示すように、シリコン単結晶基板にボロンをイオン注入した場合、熱処理温度が９００℃以上であれば、９０％以上の電気的活性化率が得られることが理解できる。なお、このような電気的活性化率は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometer）により取得した不純物濃度分布と、ホール効果測定から得たキャリヤ分布とにより求めることができる。
【００２６】
加速電圧の条件が異なる場合であっても、図３と同様の電気的活性化率を得ることができる。したがって、上述のモニタ用ウェハ１において、９０％以上かつ１００％以下の電気的活性化率が得られる温度範囲は、９００℃を下限とする範囲である。
【００２７】
不純物の電気的活性化率が９０％以下である場合、モニタ用ウェハ１の不純物導入層１１には、平面的分布において、不純物が微視的に活性化していない領域（活性化していないボロン）が多数存在する。不純物が活性化していない領域では、シート抵抗は当然に高くなる。このような微視的にシート抵抗の高い領域を含む領域全体のシート抵抗を測定しようとすると、結果的にシート抵抗がばらついてしまい、測定再現性が小さくなる。ボロンの場合、熱処理温度が９００℃を下限とする範囲であれば、電気的活性化率は９０％以上となり、不純物が活性化していない微視的な高抵抗領域が相対的に減少する。このとき、モニタ用ウェハ１の不純物導入層１１における微視的な高抵抗領域は、測定上無視できる状態になる。したがって、シート抵抗の測定再現性は高まり、シート抵抗と温度との関係を正確に求めることができる。また、ＲＴＡ装置における短時間熱処理に適用するため、上記モニタ用ウェハ１の熱処理時間（ＲＴＰ処理において、指定の温度に維持される時間）が１０〜６０秒であることが望ましい。
【００２８】
以上の観点から、本実施形態では、９２５℃、９５０℃、９７５℃、１０００℃、１０５０℃の各温度において熱処理したモニタ用ウェハ１において、シート抵抗を取得している。なお、シート抵抗は、熱処理後にシリコン酸化膜１２を除去した状態で、４深針法により測定している。また、各モニタ用ウェハ１の熱処理時間は１０秒にしている。なお、熱処理は窒素ガス雰囲気で実施している。
【００２９】
以上のようにして、各モニタ用ウェハ１の１２０ヶ所においてシート抵抗（平均値）を測定した結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
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また、当該測定により得られた、シート抵抗と熱処理温度との関係を図４に示す。図４において、横軸は熱処理温度に対応し、縦軸はシート抵抗に対応している。なお、熱処理温度は、ＲＴＡ装置に取り付けられた、ウェハ裏面からの放射温度を測定するパイロメータで測定している。また、当該パイロメータの測定温度表示は、公知の手法により、ウェハ表面の温度を表示する状態に校正がなされている。
【００３１】
図４に示すように、熱処理温度が９２５℃から１０５０℃の間では、シート抵抗が２９７．５Ω／ｓｑから１５１．８Ω／ｓｑに単調に減少しており、シート抵抗と熱処理温度との関係がほぼ２Ω／℃であることが理解できる。なお、上限温度が１０５０℃である理由は、図示を省略しているが、上述のモニタ用ウェハ１では、熱処理温度が１０５０℃以上になると、シート抵抗の熱処理温度に対する依存性が確認できなくなる（依存性がなくなる）からである。
【００３２】
また、図４には、上記１２０点の測定点において取得したシート抵抗のエラーバー（測定されたシート抵抗の範囲）を示している。図４から理解できるように、各温度におけるエラーバーの幅が小さく、基板面内にわたって均質な不純物導入層１１が形成されていることが理解できる。この関係を利用することにより、０秒より長く６０秒以下となるような短時間熱処理により熱処理されたウェハであっても、シート抵抗に基づいて、極めて正確な熱処理温度を求めることができる。
【００３３】
また、図５は、異なる注入条件でボロンを注入した場合のシート抵抗と熱処理温度との関係を示す図である。ここでの注入条件は、注入エネルギーが６０ｋｅＶ、注入ドーズ量が１.０×１０15ｃｍ-2場合である。図５から理解できるように、注入後の不純物の活性化率が９０％以上であるため、各温度におけるエラーバーの幅が小さく、基板面内にわたって均質な不純物導入層１１が形成されていることが理解できる。このため、シート抵抗の測定再現性は高まり、シート抵抗と熱処理温度との関係を正確に求めることができる。したがって、熱処理されたウェハのシート抵抗に対応する温度を図５に示す関係に基づいて求めることにより、正確な温度を求めることができる。
【００３４】
また、図４と図５とを比較すると、図４の方が熱処理温度に対するシート抵抗の変化が大きい。このため、図４に示すシート抵抗と熱処理温度との関係を使用する温度測定は、図５に示すシート抵抗と熱処理温度との関係に比べて、感度よく温度が測定できると考えられる。しかしながら、温度測定は、求めるべき測定温度の精度に応じて、イオン注入エネルギー、注入ドーズ量の条件を、シート抵抗の測定ばらつきが小さくなる（エラーバーが小さくなる）状態に最適化して取得した、シート抵抗と熱処理温度との関係を使用することが好ましい。これにより極めて正確に温度を求めることができる。図５では、図４に比べて、１０００℃〜１０５０℃の範囲でエラーバーの幅が小さくなっている。すなわち、図５の関係を用いることにより、１０００〜１０５０℃の範囲の温度を高精度で求めることができる。
【００３５】
図６は、不純物にヒ素を用いた場合のシート抵抗と熱処理温度との関係を示す図である。図４と同様に、図６において、横軸は図４と同一の方法で測定した熱処理温度に対応し、縦軸はシート抵抗に対応している。また、図６には示していないが、実験の結果７５０℃より小さい場合には、ヒ素の活性化率が９０％以上にならないために、シート抵抗と温度との関係のエラーバーの範囲が大きくなっている。つまり測定の再現性が低くなっている。これに対し、７５０℃を下限とする温度範囲では、ヒ素の活性化率が９０％以上になるため、シート抵抗の測定再現性が高まり、極めて正確なシート抵抗と熱処理温度との関係を取得することができる。なお、不純物としてリンを導入した場合も、図６と同様に、７５０℃を下限とする温度範囲で、電気的活性化率が９０％以上になるため、極めて正確なシート抵抗と熱処理温度との関係を取得することができる。
【００３６】
図７は、シリコン単結晶基板にリンをイオン注入した場合における、電気的活性化率と熱処理温度との関係を示す図である。図７において、横軸は熱処理温度に対応し、縦軸は電気的活性化率に対応する。図７では、リンの加速電圧は１００ｋｅＶである。また、ドーズ量は１×１０15ｃｍ-2である。図７より、熱処理温度が７５０℃以上であれば、９０％以上の電気的活性化率が得られることが理解できる。加速電圧の条件が異なる場合であっても、図７とほぼ同様の電気的活性化率を得ることができる。したがって、７５０℃を下限とする温度範囲であれば、９０％以上の電気的活性化率が得ることができる。なお、不純物としてヒ素、リンを導入するシリコン単結晶基板の導電型はＰ型である。また、不純物としてヒ素またはリンを用いた場合、シート抵抗と熱処理温度との関係を取得する温度範囲の上限は、例えば、９００℃にすることができる。これは、９００℃以上の温度範囲では、不純物としてボロンを注入したモニタ用ウェハにより、正確な温度測定を行うことができるからである。
【００３７】
一方、図４〜図６に示した、シート抵抗と熱処理温度との関係に基づいて、ウェハ面内での温度分布を求めることもできる。図８は、ウェハ面内での温度均一性を意図的に低下させた急速熱処理条件により熱処理されたモニタ用ウェハ１において、シート抵抗分布２０を示す図である。図８において、柱の高さがシート抵抗に対応し、柱の位置がウェハ上の位置に対応する。図８から理解できるように、当該条件では、周辺部、中心部で温度が異なっている。このような、シート抵抗分布に上述の手法により取得したシート抵抗と熱処理温度との関係を適用することにより、極めて正確にウェハ上の温度分布を把握することができる。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態によれば、シート抵抗に基づいて、極めて正確に熱処理温度を求めることができる。
【００３９】
一方、不純物としてボロンを導入したモニタ用ウェハと、不純物としてヒ素を導入したモニタ用ウェハとを組み合わせて使用することにより、比較的広い温度範囲内の温度を正確に求めることが可能となる。
【００４０】
図９は、当該温度測定方法の手順を示すフロー図である。図９に示すように、まず、不純物としてボロンを導入したモニタ用ウェハを、９００℃〜１０５０℃の温度範囲に属する複数の温度で熱処理し、図４に示したような、シート抵抗と熱処理温度との関係を取得する（ステップＳ１１）。同様に、不純物としてヒ素を導入したモニタ用ウェハを、７５０℃〜９００℃の温度範囲に属する複数の温度で熱処理し、図６に示したような、シート抵抗と熱処理温度との関係を取得する（ステップＳ１２）。なお、これらのステップの順序は逆転していても良く、並行して行われてもよい。
【００４１】
次いで、測定対象温度でモニタ用ウェハの熱処理が行われる。上述のように、ボロン導入モニタ用ウェハにより、正確な温度を求めることができる範囲は９００℃〜１０５０℃である。また、ヒ素導入モニタ用ウェハにより、正確な温度を求めることができる範囲は、７５０℃〜９００℃である。したがって、ボロン導入モニタ用ウェハとヒ素導入モニタ用ウェハとを組み合わせて使用する本事例では、７５０℃〜１０５０℃の範囲で正確に温度を求めることができる（ステップＳ１３Ｙｅｓ）。なお、測定対象温度が、当該温度範囲外である場合、温度の精度が低下する。このため、本事例では、７５０℃〜１０５０℃の範囲外である場合には、測定を行わないようにしている（ステップＳ１３Ｎｏ）。
【００４２】
例えば、測定対象温度が１０００℃程度である場合、ボロン導入モニタ用ウェハが選択される（ステップＳ１４Ｙｅｓ→Ｓ１５）。また、測定対象温度が８５０℃程度である場合、ヒ素導入モニタ用ウェハが選択される（ステップＳ１４Ｎｏ→Ｓ１６）。
【００４３】
その後、選択されたモニタ用ウェハが測定対象温度にて熱処理される（ステップＳ１７）。熱処理が完了すると、計測対象温度で処理されたモニタ用ウェハの不純物導入層のシート抵抗が測定される（ステップＳ１８）。そして、予め取得されている、モニタウェハの基板種に応じたシート抵抗と熱処理温度の関係に基づいて、測定対象温度が求められる（ステップＳ１９）。
【００４４】
このように、異なる不純物が注入された複数種のモニタ用ウェハを組み合わせて使用することにより、比較的広い温度範囲内で、温度を正確に求めることができる。
【００４５】
（第２の実施形態）
続いて、第１の実施形態で説明した温度測定方法を用いて、半導体装置の製造工程において複数台の熱処理装置の温度管理を行う手法について説明する。ここでは、ＲＴＡ装置の温度管理をする方法について説明する。ここでは、ＲＴＡ装置は、所定の熱処理温度に維持される熱処理時間が０秒より長く６０秒以下となるような短時間熱処理の行う装置とする。また、本実施形態では、３台のＲＴＡ装置Ａ、Ｂ、Ｃの温度管理を行う事例を説明する。図１０は、本実施形態における熱処理装置の温度管理の手順を示すフロー図である。
【００４６】
図１０に示すように、まず、基準となる１台のＲＴＡ装置（例えば、ＲＴＡ装置Ａ）について、公知の手法により、設定温度と実際の熱処理温度とが一致する状態に校正する（ステップＳ２１）。
【００４７】
次いで、当該ＲＴＡ装置Ａにおいて、不純物を導入した複数のシリコン単結晶基板を、電気的活性化率が９０％以上かつ１００％以下となる温度範囲に属する複数の設定温度でそれぞれ熱処理する。ここでは、不純物としてボロンを、加速電圧５ｋｅＶ、ドーズ量２×１０15ｃｍ-2でＮ型の半導体基板に注入したモニタ用ウェハ１を使用する。なお、当該モニタ用ウェハ１は第１の実施形態において説明した構造（図１参照）を有している。また、第１の実施形態で説明したように、ボロンを導入したシリコン単結晶基板１０である場合、９０％以上かつ１００％以下の電気的活性化率が得られる温度範囲は、９００℃〜１０５０℃の範囲である。
【００４８】
以上のようにして熱処理されたモニタ用ウェハ１の不純物導入層１１のシート抵抗をそれぞれ測定することにより、シート抵抗と設定温度との関係を取得する（ステップＳ２２）。ここでは、熱処理時間が１０秒であり、図４に示した、シート抵抗と設定温度の関係が得られたとする。なお、ＲＴＡ装置Ａは、設定温度と熱処理温度とが一致する状態に校正されているため、図４に横軸で示す熱処理温度が設定温度になる。また、不純物としてヒ素を導入したシリコン単結晶基板をモニタ用ウェハとして用いることもできる。この場合、９０％以上かつ１００％以下の電気的活性化率が得られる温度範囲は、７５０℃〜９００℃の範囲である。また、ボロンを導入したモニタ用ウェハと、ヒ素を導入したモニタ用ウェハの両方を組み合わせて使用してもよい。
【００４９】
基準となるＲＴＡ装置Ａにおいて、シート抵抗と設定温度との関係を取得した後、他のＲＴＡ装置Ｂ、Ｃにおいて、上記モニタ用ウェハを、上記９００℃〜１０５０℃の温度範囲に属する設定温度で熱処理する（ステップＳ２３）。ここでは、設定温度を１０００℃とし、熱処理時間を１０秒にしている。
【００５０】
次に、当該熱処理を行ったモニタ用ウェハ１のシート抵抗を測定する（ステップＳ２４）。ここでは、ウェハ面内の１２０点を測定し、ＲＴＡ装置Ｂにより熱処理されたモニタ用ウェハ１のシート抵抗（平均値）が１３０Ω／ｓｑであり、ＲＴＡ装置Ｃにより熱処理されたモニタ用ウェハ１のシート抵抗（平均値）が１２０Ω／ｓｑであったとする。基準となるＲＴＡ装置Ａで取得された、シート抵抗と設定温度との関係（図４参照）によれば、設定温度が１０００℃であるとき、シート抵抗（平均値）は１５０Ω／ｓｑである。したがって、ＲＴＡ装置ＢおよびＲＴＡ装置Ｃでは、ＲＴＡ装置Ａよりも実際の熱処理温度が高くなっていることが理解できる。
【００５１】
このように、他のＲＴＡ装置ＢおよびＲＴＡ装置Ｃでの実際の熱処理温度が、基準となるＲＴＡ装置Ａと同一の設定温度により実施される熱処理温度と異なっていた場合、予めＲＴＡ装置Ａにおいて取得された、シート抵抗と設定温度の関係に基づいて、ＲＴＡ装置Ｂ、およびＲＴＡ装置Ｃの設定温度と、ＲＴＡ装置Ａの設定温度とを対応づける（ステップＳ２５Ｎｏ→ステップＳ２６）。すなわち、ＲＴＡ装置Ａにおいて取得されたシート抵抗と設定温度の関係に基づいて、ＲＴＡ装置Ｂ、およびＲＴＡ装置Ｃの設定温度と、実際の熱処理温度とが一致する状態に、ＲＴＡ装置Ｂ、およびＲＴＡ装置Ｃの温度表示を改める。あるいは、ＲＴＡ装置Ｂ、およびＲＴＡ装置Ｃが備える、パイロメータ等の温度計測手段が実際の熱処理温度を出力する状態に調整する。なお、上述の事例では、ＲＴＡ装置Ａで取得されたシート抵抗と設定温度との関係によれば、ＲＴＡ装置Ｂの実際の熱処理温度は１０１３℃であり、ＲＴＡ装置Ｃの実際の熱処理温度は１０２５℃である。
【００５２】
また、他のＲＴＡ装置での実際の熱処理温度が、基準となるＲＴＡ装置Ａと同一の設定温度により実施される熱処理温度と一致していた場合は、特に何も行う必要はない（ステップＳ２５Ｙｅｓ）。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態によれば、複数の熱処理装置間における温度差の有無を簡便に確認することができる。さらに、本実施形態によれば、シート抵抗と設定温度との関係が極めて正確であるため、各熱処理装置において同一設定温度で実施される熱処理の温度を、極めて精度よく一致させることができる。この結果、熱処理工程を安定して行うことができる。
【００５４】
なお、本実施形態は、構造や種類等が異なる熱処理装置の間にも適用可能である。
【００５５】
以上説明したように、本発明によれば、シート抵抗に基づく温度を極めて正確に求めることができる。また、当該手法を用いて、複数台の熱処理装置間の設定温度を対応づけることにより、各熱処理装置において同一設定温度で実施される熱処理の熱処理温度を、極めて精度よく一致させることができる。この結果、熱処理工程を安定して行うことができる。
【００５６】
なお、本発明は、以上で説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。例えば、上記実施形態では、モニタ用ウェハを用いた事例について説明したが、半導体装置が形成される実際のウェハを使用することも可能である。この場合、半導体装置を構成する不純物導入層と同一のイオン注入条件における、シート抵抗と熱処理温度との関係が予め取得される。また、当該ウェハ上には、シート抵抗測定用の専用パターンが形成されている。これにより、実際に製造されている半導体装置に対して正確な温度管理、温度測定を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、シート抵抗に基づいて、極めて正確に熱処理温度を求めることができ、温度測定方法および熱処理装置の温度管理方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態におけるモニタ用ウェハを示す概略断面図
【図２】本発明の一実施形態におけるモニタ用ウェハの形成過程を示す工程断面図
【図３】ボロンを注入した場合の電気的活性化率と熱処理温度との関係を示す図
【図４】ボロンを注入した場合のシート抵抗と熱処理温度との関係を示す図
【図５】ボロンを注入した場合のシート抵抗と熱処理温度との関係を示す図
【図６】ヒ素を注入した場合のシート抵抗と熱処理温度との関係を示す図
【図７】リンを注入した場合の電気的活性化率と熱処理温度との関係を示す図
【図８】熱処理温度の面内均一性を意図的に低下させたウェハのシート抵抗分布を示す図
【図９】本発明の一実施形態における温度測定方法を示すフロー図
【図１０】本発明の一実施形態における熱処理装置の温度管理方法を示すフロー図
【符号の説明】
【００５９】
１  温度モニタ用ウェハ
１０  半導体基板
１１  不純物領域
１２  シリコン酸化膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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