(57)【要約】【課題】半導体ウェハを熱処理する際に、ウェハ温度を直接測定するシステムにおいて、ウェハの放射率測定が困難なウェハの温度を測定し、ウェハを正常に処理する。【解決手段】ウェハ裏面に光を照射し、その放射率εに基づいてウェハ温度測定をする過程において、ウェハ裏面における放射率が光検出器の検出範囲内にある場合は、熱処理工程中に測定した放射率εに基づいて温度を算出する。一方、ウェハ裏面における放射率が光検出器の検出範囲外にある場合は、熱処理工程前に測定した放射率ε０に基づいて温度を算出する。その結果、温度測定時の誤差を最小限に抑えることが出来るため、より正確にウェハ温度を測定することができ、精度良く熱処理を行うことが出来る。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェハ裏面に光を照射することにより求めた放射率と、ウェハからの熱放射エネルギーに基づいて、ウェハ温度を測定するシステムにおいて、
ウェハ裏面における前記放射率が光検出器の検出範囲外にある場合は、熱処理工程前に測定した放射率を用いてウェハ温度を測定することを特徴とする、ウェハの熱処理方法。
【請求項２】
ウェハ裏面に光を照射することにより求めた放射率と、ウェハからの熱放射エネルギーに基づいて、ウェハ温度を測定するシステムにおいて、
ウェハ裏面における前記放射率が光検出器の検出範囲内にある場合は、熱処理工程中に測定した放射率を用いてウェハ温度を測定し、
ウェハ裏面における前記放射率が前記光検出器の検出範囲外にある場合は、熱処理工程前に測定した放射率を用いてウェハ温度を測定することを特徴とする、ウェハの熱処理方法。
【請求項３】
前記光検出器は、前記放射率が０．９８以上の場合に検出範囲外になることを特徴とする、請求項１又は２記載のウェハの熱処理方法。
【請求項４】
前記ウェハ裏面は、低反射率の膜が露出した状態であることを特徴とする、請求項１又は２記載のウェハの熱処理方法。
【請求項５】
前記低反射率の膜は、ＳｉＮ，ＴＥＯＳ、又はＳｉＣであることを特徴とする、請求項４記載のウェハの熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハの製造方法において、特にウェハ温度を測定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体ウェハの製造過程において、急速熱処理（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）が利用される工程が増えつつある。
【０００３】
その急速熱処理に用いられる装置は、処理中のウェハ温度を測定するものと、ウェハ温度を直接測定せず、ヒーター等の熱源の温度を測定するものに分類できる。
【０００４】
急速熱処理を精度良く行うには、処理中のウェハ温度を正確に測定し制御する必要があるため、前者が急速熱処理にはより有効なシステムとなっている。
【０００５】
ウェハ温度を測定する方法は熱電対によるものとパイロメータによるものがあるが、特にパイロメータによる方法は、熱電対より正確なウェハの温度計測ができるため、急速熱処理装置の主流になりつつある。
【０００６】
ここで、急速熱処理装置に用いられる熱源はランプとヒーターの二つがある。前者はコールドウォールタイプ、後者はホットウォールタイプの装置であると一般的に呼ばれている。
【０００７】
現在、主流となるのはランプタイプの装置であるが、近年ホットウォールタイプの装置も使われつつある。
【０００８】
以下に代表的なホットウォールタイプの装置及びその温度測定方法について説明する。
【０００９】
まず、ホットウォールタイプの熱処理装置の代表的な構造を図１に示す。図１に示すように、ウェハ７はトランスファーロボット１により、熱処理装置の炉内に導入される。この熱処理装置の炉内には、側壁部分に沿ってヒーター２が存在する。
【００１０】
次に、炉内に導入されたウェハ７は、エレベーター３によってある高さまで上方向に移動し、炉内の側壁にあるヒ−タ−２によって加熱され、熱処理が行われる。この装置の場合は、パイロメータ４以外に、エレベーター３の底部に設置されている光検出器（フォトディテクター）５によって、ウェハ裏面からの放射率εを測定する。
【００１１】
この熱処理装置では、図２に示すように、炉内に温度分布を持たせることによってウェハ自体の温度変化を制御する。
【００１２】
具体的には、図２の横軸に炉内温度（℃）、縦軸にウェハ位置（ｍｍ）をとったグラフに示すように、炉内は炉の上部分ほど高い温度になっており、ウェハは炉内の高い位置にある程、高い温度で熱処理される。よって、ウェハの温度変化は、エレベーターを上下させ炉内におけるウェハ位置の調節と、その位置にウェハが滞在する時間を変えることによって、任意の温度に制御する。
【００１３】
続いて、光検出器及びパイロメータを搭載した熱処理装置における温度測定方法について、図３を用いて説明する。
【００１４】
まず、図３（ａ）の積分球６において、炉内に導入される前の室温におけるウェハの反射率Ｒ０を測定する。
【００１５】
具体的には、ウェハからの反射エネルギーＶＷ、光源のエネルギーＶＲＥＦを光検出器によりそれぞれフォトダイオードによる変換電圧値として測定する。また、反射率が既知のウェハ等を用いて、積分球６自体の影響定数Ｃを測定する。その後、その値を関係式Ｒ０＝Ｃ（ＶＷ／ＶＲＥＦ）に代入することにより、室温でのウェハ反射率Ｒ０を求める。
【００１６】
次に、図３（ｂ）の炉内において、ウェハ無しでエレベーター３をスイープさせることによって、炉内にウェハが導入されていない状態における迷光エネルギーＶ０（ｚ）を、炉内の各高さについて光検出器を用いて測定する（ｚは高さを表わす。）。
【００１７】
その後、炉内にウェハを導入して、ウェハを載せた状態でエレベータ−３をスイープさせることによって、炉内の迷光エネルギーＶＷ０（ｚ）を、炉内の各高さについて光検出器を用いて測定する。ここで、エレベーター３は短時間でスイープされるので、ウェハ温度の上昇はほとんど起こらず、ウェハ温度はおよそ１５０℃以下になっている。
【００１８】
続いて、エレベーター３にウェハを乗せた状態で、実際にウェハの熱処理を行い、光検出器により熱処理中のウェハの反射エネルギーＶＷ（ｚ，Ｔ）を、パイロメータにより熱放射エネルギーＩ（Ｔ）を測定する。
【００１９】
以上の測定結果を用いて、熱処理中における実際のウェハ温度Ｔを導き出すことが出来る。
【００２０】
具体的には、ウェハ反射率Ｒ０、炉内にウェハがない場合の迷光エネルギーＶ０（ｚ）、炉内にウェハがある場合の迷光エネルギーＶＷ０（ｚ）に基づいて、次の関係式（１）を用いて各高さにおける反射率の炉内補正係数Ｋ（ｚ）が求められる。
【００２１】
【数１】
2004186300.tif 000003
【００２２】
次に、ウェハ処理中の反射エネルギーＶＷ（ｚ，Ｔ）、熱放射エネルギ−Ｉ（Ｔ）、及び先に求めた反射率の炉内補正係数Ｋ（ｚ）に基づいて、次の関数（２）及びプランクの法則式（３）より、熱処理中における実際のウェハ温度Ｔが得られる。なお、放射率ε（Ｔ）と反射率Ｒ（Ｔ）は、ε（Ｔ）＝１−Ｒ（Ｔ）に示される関係にある（ここでは、透過率はゼロである。フィルタリングにより、透過率がゼロになる波長帯の放射エネルギーをパイロメータに読ませている。）。
【００２３】
【数２】
2004186300.tif 000004
【００２４】
ここで、Ｉは熱放射エネルギー（Ｗ／ｍ２）、εは物体の放射率、λは熱放射の波長（ｍ）、Ｔは物体の温度（Ｋ）、Ｃ１、Ｃ２はそれぞれプランクの第１、第２定数である。
【００２５】
以上より、光検出器を用いて放射率補正を行うことにより、パイロメータを用いてウェハ処理中の温度測定を行うことが出来る。
【００２６】
【特許文献１】
特開２００１−１９４０７５号公報（段落番号００６５〜００６７）
【特許文献２】
特開平１０−５５９７４号公報（段落番号００１８〜００３２）
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際に熱処理をする際にウェハの放射率εが低いと、放射率測定誤差が温度測定に与える影響が大きくなる。
【００２８】
具体的には、式（３）のεにウェハの放射率そのものを用いる場合の温度誤差と放射率誤差の関係を表わすと図５のようになる（式（３）のεにウェハの放射率そのものを用いない場合もある。例えば特開平１０−５５９７４号公報）。図５より、放射率εが低いほど、少しの放射率誤差でも温度誤差としては大きく影響してしまうことが分かる。
【００２９】
しかし放射率εが高すぎると、図１に示したホットウォールタイプの装置では、光を用いてウェハ裏面の放射率を直接測定するシステムを用いているため、温度測定エラーが発生する。それは、放射率εと反射率Ｒの関係式ε（Ｔ）＝１−Ｒ（Ｔ）から、放射率εが高いということは反射率Ｒが低いということであり、ウェハからの光の反射量が微弱となるためである。その結果、光検出器に発生する電圧信号が、ノイズの大きさと同様かまたはそれ以下になるため、正確に放射率を算出することが出来ない。
【００３０】
よって本発明では、図１に示した装置のように、ウェハの放射率を直接測定するシステムにおいて、光検出器自体のノイズの影響を受けにくい範囲でウェハ裏面の放射率εを測定することにより、正確かつ正常にウェハを処理する方法を提供することを目的とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、ウェハに光を照射し、その放射率からウェハ温度を算出するシステムを有する熱処理装置において、ウェハ裏面における放射率が光検出器の検出範囲内にある場合は、熱処理工程中に測定した放射率に基づいて温度を算出し、ウェハ裏面における放射率が光検出器の検出範囲外にある場合は、熱処理工程前に測定した放射率に基づいて温度を算出することを特徴とする、半導体ウェハの製造方法を提供する。
【００３２】
その結果、ウェハ裏面の反射率が低すぎる場合においても、より正確にウェハ処理時の温度を求めることができるため、温度測定エラーの発生を抑え、精度良く熱処理を行うことが出来る。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３４】
本発明は、図１〜３のような光検出器などを用いてウェハの反射率（または放射率）を測定する装置の場合、ウェハの反射率の値によって実際の温度測定で用いない反射率を選択することに特徴がある。その場合、熱処理温度は、主に２つのパラメータである、パイロメータにより測定される熱放射エネルギーＩと、光検出器により測定される熱放射率ε（つまり、反射率Ｒ）に基づいて導き出される。なお、ウェハを透過しない波長帯の熱放射エネルギーを用いることにより、放射率εと反射率Ｒは、ε＝１−Ｒの式で表わされる関係にある。以下、図４のフロー図を用いて具体的に説明する。
【００３５】
まず、図４（ａ）の工程前において、ウェハ裏面に膜の堆積、あるいは膜の除去等により、低反射率の膜、例えばＳｉＮ，ＴＥＯＳ、又はＳｉＣ等の膜を表面に露出させ、熱処理装置に搬入する。
【００３６】
次に、図４（ｂ）の工程において、熱処理装置の炉内に導入される前に、室温におけるウェハ裏面の反射率を測定する。本工程は、図３（ａ）に示すステップに該当し、積分球６により、炉外におけるウェハ裏面の反射率Ｒ０を測定する。
【００３７】
その後、図４（ｃ）の工程において、ウェハ裏面の反射率Ｒがしきい値と比較して大きいか小さいかを確認する。しきい値は、図５に示した温度エラーと放射率エラーの関係、及び光検出器の検出限界に基づいて設定する。
【００３８】
具体的には、放射率誤差が比較的大きくなったとしても、温度誤差としてはほとんど変化しない値で、光検出器で測定可能な反射率の範囲の値であることが望ましい。それは、図５より放射率εが高いほど、つまり反射率Ｒが低いほど、反射率Ｒに基づく温度エラーの値は小さくなるが、反射率Ｒが小さすぎるとパイロメータに反射してくる光も弱くなるためである。
【００３９】
ここで、図３に示す装置において、パイロメータはウェハからの熱放射エネルギーＩを読み取る働きをし、ウェハの放射率εは光検出器により感知され、温度測定はこれら２つのパラメータ、つまり熱放射エネルギーＩと放射率εから計算される。よって、ウェハの反射率Ｒが小さすぎて、反射光があまりにも弱いと、得られる変換電圧が光検出器自体の誤差範囲内に含まれてしまい、正確な測定ができない。従って、光検出器の測定可能範囲内である値のしきい値を、例えば放射率０．９８以上、つまり反射率０．０２以下に設定する。
【００４０】
その結果、放射率ε、もしくは反射率Ｒがしきい値より大きいか小さいかによって、最適な温度測定方法が異なってくる。
【００４１】
まず、図４（ｄ）に示すように、しきい値より反射率Ｒが小さい場合、つまり放射率εが大きい場合について説明する。
【００４２】
しきい値より反射率Ｒが小さい場合は、つまり図５でいうと放射率εが大きいほど、反射率の誤差が温度の誤差に対してほとんど影響を及ぼさなくなる。しかし、反射率Ｒが小さすぎるとウェハからの反射光が弱くなり、光検出器の検出限界を超えて誤差範囲に含まれてしまう。よって、熱処理中のウェハにおいて、光検出器を用いて放射率を測定することが出来ない、もしくは測定できたとしても、正確な値を得られる可能性が大変低くなる。
【００４３】
従って、反射率Ｒがしきい値以下である場合は、熱処理前のウェハにより測定した反射率Ｒ０を、熱処理中のウェハにおける反射率Ｒとする。図５より、反射率Ｒが低い、つまり放射率εが高い場合は放射率εの値に関わらず、ほぼ温度誤差は一定であるので、実測値を用いなくても正確な温度測定が出来る。この理由について、以下より具体的に説明する。
【００４４】
熱放射を利用する温度計測では、物体の表面から放射される熱放射量が物体の温度の他に、物体の性質と光学的な要因によって決まる放射率εの影響を受ける。物体の表面から放射される熱放射エネルギーＩは、温度と波長の関数（プランクの法則）で下記式（３）のように表わされる。
【００４５】
【数３】
2004186300.tif 000005
【００４６】
ここで、Ｉは熱放射エネルギー（Ｗ／ｍ２）、εは物体の放射率、λは熱放射の波長（ｍ）、Ｔは物体の温度（Ｋ）、Ｃ１、Ｃ２はそれぞれプランクの第１、第２定数である。
【００４７】
波長が一定ならば、上式（３）において熱放射の強さＩと物体の放射率εは温度Ｔのみの関数となる。
【００４８】
パイロメータでは、熱放射エネルギーＩと熱放射によって得られる電流値が一次の関係にあり、波長が既知であると、物体の放射率εが分かれば温度Ｔが求められる。温度測定に使用する熱放射の波長λのオーダーは１０−３ｍ、Ｔのオーダーは１０３Ｋ程度であるので、ｅｃ２／λＴ≒１となる。したがって式（３）は下記式（４）のように近似できる（ウィーンの公式）。
【００４９】
【数４】
2004186300.tif 000006
【００５０】
上式（４）の左辺はパイロメータの読み値であるから、一定としてＴについて微分すると下式（５）が得られる。
【００５１】
【数５】
2004186300.tif 000007
【００５２】
上式（５）においてウェハ放射率εの誤差ｄε及びウェハ温度Ｔの誤差ｄＴの関係をグラフで表わした結果が、先でも説明した図５である。図５より放射率εが大きい場合は、温度誤差ｄＴが小さくなることが分かる。高放射率のウェハを処理する場合、室温での放射率εと処理中（高温）での放射率εの変化は非常に小さいため、室温での放射率εを処理中の放射率εとして見なしても、大きな誤差は発生しない。
【００５３】
例えば、放射率が０．９８〜０．９９のウェハを処理する場合は、放射率誤差ｄε＝０．００５程度となることが分かっている。その場合、図５よりｄＴ＝−５．０程度の温度誤差となる。従って、熱処理前に測定した放射率εを処理中のウェハの放射率εと見なしても大きな誤差を生じることはなく、実測値の代わりに用いることが出来る。
【００５４】
次に、図４（ｅ）に示すように、しきい値より反射率Ｒが大きい場合、つまり放射率εが小さい場合について説明する。
【００５５】
反射率Ｒがしきい値より大きい場合は、つまり図５で言うと放射率εが小さいほど、反射率エラーが温度エラーに対して大きな影響を及ぼす。よって、先で説明したように処理前の反射率Ｒ０を代わりに使用することは出来ず、処理中の反射率Ｒを正確に測定する必要がある。この場合、熱処理中の反射率Ｒは、光検出器の測定限界であるしきい値以上の値であるため、基本的には正確に熱処理中の温度測定することが出来る。
【００５６】
本実施形態におけるしきい値は、光検出器の検出限界に基づいて求められた反射率Ｒであり、裏面につける膜の種類や熱処理時の温度によって、ある程度影響され変化する。よって、本実施形態では仮に、しきい値はＲ＝０．０２としたが、これらの値に限定されるものではない。
【００５７】
また本発明では、放射率に基づいて温度を算出する方法について説明したが、放射率から反射率を求めることが出来るので、反射率を用いて温度を算出することも出来、放射率の測定に限定されるものではない。よって、初めに反射率を測定して、反射率に基づいて温度を求めることも出来る。
【００５８】
【発明の効果】
以上本発明によると、ウェハに光を照射し、その反射率及び反射光強度に基づいてウェハ温度測定をする場合において、ウェハ裏面における反射率によって、温度測定方法を変えることにより、温度測定誤差を最小限に抑えることが出来る。例えば、ウェハ裏面の反射率が低すぎて、光検出器の検出限界を超えて、放射率の測定が不可能である場合は、その代わりに熱処理前の放射率を用いて温度を求めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】ホットウォールタイプの熱処理装置を示す図
【図２】ホットウォールタイプの装置におけるウェハの位置と炉内温度の関係を示す図
【図３】ホットウォールタイプの熱処理装置を示す図
【図４】ホットウォールタイプの装置における測定フローを示す図
【図５】温度エラーと放射率エラーの関係を示す図
【符号の説明】
１  トランスファーロボット
２  ヒーター
３  エレベーター
４  パイロメータ
５  光検出器
６  積分球
７  ウェハ
【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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