(57)【要約】【課題】温度測定による半導体製造装置の稼働停止時間の低減と配線用金属膜形成時の温度測定やウェハ面内の多点測定を可能にすること。【解決手段】Ｓｉウェハ６にイオン注入法で不純物を注入し、ダメージ層１０を形成する。このダメージ層１０はＳｉウェハ６が受ける熱量に応じてダメージを回復するため、その回復したダメージ量を測定する。これにより、あらかじめとってあるダメージ量と熱処理温度との相関特性を用いて、ウェハ温度を解析する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉウェハにイオン注入法でダメージ層を形成する工程と、前記Ｓｉウェハの前記ダメージ層に熱エネルギーを与えて、ダメージの変化量を測定する工程と、前記ダメージの変化量の測定値より前記Ｓｉウェハの熱処理温度を解析する工程とを含むことを特徴とする半導体ウェハ温度測定方法。
【請求項２】
前記Ｓｉウェハの熱処理温度を解析する工程は、前記ダメージ層のダメージの変化量と前記熱処理温度との相関特性を用い、ダメージの値を温度に変換することを特徴とする請求項１記載の半導体ウェハ温度測定方法。
【請求項３】
Ｓｉウェハの主面に酸化膜を形成する工程と、前記Ｓｉウェハの前記酸化膜の上からイオン注入法で不純物を注入し、ダメージ層を形成する工程と、前記酸化膜上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜をエッチングにより除去する工程と、前記酸化膜を介して前記ダメージ層のダメージの変化量を測定する工程と、前記ダメージの変化量の測定値より前記Ｓｉウェハの熱処理温度を解析する工程とを含むことを特徴とする半導体ウェハ温度測定方法。
【請求項４】
前記Ｓｉウェハの熱処理温度を解析する工程は、前記ダメージ層のダメージの変化量と前記熱処理温度との相関特性を用いることを特徴とする請求項３記載の半導体ウェハ温度測定方法。
【請求項５】
前記金属膜を除去する工程は、室温に近い状態のウェットエッチングにより、前記ダメージ層のダメージ量を変化させないで除去することを特徴とする請求項３記載の半導体ウェハ温度測定方法。
【請求項６】
前記金属膜は、ＣＶＤ法、スパッタ法もしくはめっき法により、アルミニウム，タングステン，窒化チタン，銅のいずれかを用いた配線膜あるいは電極膜とすることを特徴とする請求項３記載の半導体ウェハ温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の温度測定方法に関し、特にＳｉウェハの温度を測定する半導体ウェハ温度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造装置において、配線膜を形成する場合、その膜質を左右するウェハの表面温度は極めて重要な因子となり、しかも使用する複数台の半導体製造装置に対し、同一膜質を形成する為には、精度良くウェハ温度を合わせ込む事が重要となる。
【０００３】
このような場合の温度測定の主な方法としては、熱電対付きウェハによる温度測定、サーモラベルによる温度測定、赤外線による温度測定、シート抵抗値の変化による温度測定等が知られている。
【０００４】
例えぼ、熱電対付きウェハによる温度測定方法は、Ｓｉウェハの中央（１点もしくは数点）に熱電対を取り付け、その配線を装置の外部に設置してある測定器に接続して行なう方法である。この方法では、ウェハの温度を直接電気信号に変換して測定するため、ウェハ表面の温度変化に対する追従性が良く、高精度で測定することができる。
【０００５】
また、サーモラベルによる温度測定方法は、ウェハ上に複数枚のサーモラベルを貼り、このサーモラベルを貼ったウェハを密閉したチャンバー内で温度測定する方法である。
【０００６】
また、赤外線による温度測定方法は、ウェハを載置したプロセスチャンバー内に赤外線センサーを設置し、ウェハより放射される赤外光を測定することにより、ウェハの面内温度分布等を求める方法である。
【０００７】
さらに、シート抵抗を利用した温度測定方法は、元々はイオン注入中のウェハ温度を確認する方法として考え出された方法であるが、２枚のＳｉウェハに対し同時にイオン注入し、そのウェハを利用して温度を測定する方法である。具体的には、一方を高温でアニール、他方を低温でアニールし、４探針シート測定器でシート抵抗値を測定し、両者の比で定義するキャリア回復率と注入温度との関係より、イオン注入中のウェハ温度を求める方法である（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
図７（ａ）〜（ｃ）はそれぞれこれらの半導体ウエハ測定方法の各種の例を説明するための模式図である。
【０００９】
まず、図７（ａ）に示すように、熱電対付きウェハ温度測定は、ウェハ８の表面にそれぞれ通常２本の線からなる複数本の熱電対１２を取り付け、その取り付けた熱電対１２をケーブルを介して外部の測定器１３に接続し、温度測定するものである。
【００１０】
ついで、図７（ｂ）に示すように、サーモラベルによるウェハ温度測定は、ウェハ８の表面に複数枚のサーモラベル１４を貼り付け、密閉したチャンバー内で温度測定するものである。これらのサーモラベル１４は、縦５ｍｍ，横２ｃｍの感熱材が組み込まれたシール状のものが用いられる。
【００１１】
さらに、図７（ｃ）に示すように、赤外線による温度測定は、半導体製造装置において、ウェハ８を載置したプロセスチャンバー１５に赤外線センサー１６を設置、すなわち取り付けて温度測定を行う。このプロセスチャンバー１５は、アルミ製の板で密封され、ウェハ８の表面の代表点の測定および監視を行うものである。
【００１２】
また、これらに代り、シート抵抗を利用した温度測定は、上述した特許文献１に記載のとおり、イオン注入法で注入したＳｉウェハを用い、そのシート抵抗値の変化により、イオン注入中の温度測定を行なう方法である。この方法を応用して配線膜形成時の温度測定に使用することも可能である。
【００１３】
さらには、半導体製造装置における熱処理装置などのサセプタ上に、複数の圧痕を付けた半導体基板を載置し、所定の熱処理を施して前記圧痕を起点に転位を発生させ、その転位の長さにより基板内温度分布を測定することにより、前記半導体基板が載置されていたサセプタ上の温度分布を判定する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【００１４】
この圧痕転位測定方法は、９００℃等の高温で且つ３０分等の長時間の熱処理を必要とする方法であり、特殊な条件下で行われる温度測定方法である。すなわち、この温度測定方法は、機械的に形成した圧痕に対し、高温且つ長時間熱処理という特殊条件下で、熱応力による圧痕の復元を用い、その度合を測定するものである。
【００１５】
【特許文献１】
特開昭６２−２８６２４４号公報（第１，２頁、第１図）
【特許文献２】
特開平４−２０６９４２号公報（第３頁、第１図，第２図）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半導体ウェハの温度測定方法のうち、熱電対付きウェハ測定は、その測定準備として半導体製造装置を停止させてマニュアル操作により熱電対付きウェハをプロセスチャンバーにセットする手間が必要である。この方法では、ウェハ面内の測定個所が固定位置となるため自在に測定点を選択できず、又熱電対付きウェハ作成時の接続状態により温度が変化する事もあり、サンプルの出来栄えで測定温度にばらつきが発生するという欠点がある。その上、ウェハの構造上、膜形成時のウェハ温度は確認出来ないという制約もある。
【００１７】
また、上述したサーモラベルによるウェハ測定は、ラベルの貼り付け状態がばらつき易い事から測定精度は低く、又温度の読み取り値が段階的となるので、正確な温度測定を行うことができないという欠点がある。又サーモラベルの占有面積により測定点数を多く出来ないといった制約や測定可能温度が最高でも３００℃程度といった制約もある。
【００１８】
さらに、赤外線による温度測定は、プロセスチャンバーを半導体製造装置に設けた上に、赤外線センサーをそのチャンバーに取り付けるための改造が必要となり、多大な改造工数と費用を要するという欠点がある。また、赤外線センサーを取り付けた個所、もしくはその近傍の代表点の測定しかできず、任意の製造装置で安易に測定できないという問題がある。
【００１９】
また、シート抵抗を利用した温度測定は、シート抵抗値の測定として配線膜の除去が必須となる。しかしながら、この方法では、表面の不純物も同時にウェハから一部抜ける事があるため、特に表面の不純物濃度に敏感なシート抵抗値では、この処理によりばらつきが発生し易くなり、正確な温度測定が難しくなる。しかも、ウェハは電気的に活性化状態の前であるため、４探針シート測定器でシート抵抗を測定すると、針の接触抵抗等により測定値が変動し易く、正確なウェハ温度を解析するのが困難であるという問題もある。更に、Ｓｉウェハ１枚では原理上温度を求める事は出来ないため、常に２枚のウェハが必要な事から測定コストが高くなるという欠点もある。
【００２０】
さらに、圧痕転位測定方法は、圧痕が機械的に形成されるため、９００℃〜１０００℃などの温度測定には適していても、より低温の３００℃付近、あるいは２００℃以下での温度測定には不向きであるという欠点がある。しかも、この圧痕転位測定方法は、圧痕が機械的に形成されるため、圧痕の間隔を十分に取らざるを得ず、ウェハ上では等間隔に４〜５個所形成するのが限界である。したがって、ウェハ上の任意のポイントでの多点測定に対しては、不向きであるという欠点がある。
【００２１】
本発明の目的は、ウェハ温度測定による半導体製造装置の稼働停止時間の低減、およびスパッタ法やＣＶＤ法による配線膜形成時のウェハ自身の温度測定を実現するとともに、ウェハ面内の任意ポイントにおける多点測定を可能とする半導体ウェハ温度測定方法を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体ウェハ温度測定方法は、Ｓｉウェハにイオン注入法でダメージ層を形成する工程と、前記Ｓｉウェハの前記ダメージ層に熱エネルギーを与えて、ダメージの変化量を測定する工程と、前記ダメージの変化量の測定値より前記Ｓｉウェハの熱処理温度を解析する工程とを含んで構成される。
【００２３】
また、本発明の半導体ウェハ温度測定方法は、Ｓｉウェハの主面に酸化膜を形成する工程と、前記Ｓｉウェハの前記酸化膜の上からイオン注入法で不純物を注入し、ダメージ層を形成する工程と、前記酸化膜上に金属膜を形成する工程と、前記金属膜をエッチングにより除去する工程と、前記酸化膜を介して前記ダメージ層のダメージの変化量を測定する工程と、前記ダメージの変化量の測定値より前記Ｓｉウェハの熱処理温度を解析する工程とを含んで構成される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体ウェハ温度測定方法は、ウェハの表面近傍に適度なイオン注入条件でダメージ（Ｓｉ原子が格子位置よりずれ、結晶配列を乱した状態）層を全面に形成し、ウェハを熱処理炉へ搬送する。ついで、熱処理工程を経た後、ウェハ表面のダメージ変化を測定する。すなわち、熱を加えることにより、ダメージの回復度を測定する。さらに、このダメージ量の回復度と熱処理温度の相関特性からウェハ温度を解析する。あるいは、膜を付ける時の温度により、ダメージ量の回復度を測定して解析するようにしても良い。以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
図１（ａ），（ｂ）はそれぞれ本発明の原理を説明するための半導体ウェハにおける結晶格子を保ったＳｉ原子の配列状態を表わす図およびダメージを受けたＳｉ原子の配列状態を表わす図である。まず、図１（ａ）に示すように、ダメージを受けていないときの理想的なウェハ表面近傍のＳｉ原子１は、通常結晶格子位置に規則的に配列している。なお、この図１の中では、不純物原子の量は、Ｓｉ原子の量に比較してきわめて少ないため、不純物原子については図示省略している。
【００２６】
ついで、図１（ｂ）に示すように、イオン注入法等により外部からボロンなどの不純物原子が注入されると、ウェハの表面近傍は、ダメージを受けた状態となる。すなわち、Ｓｉ原子１は、Ｓｉ原子の格子位置２からずれてくる。このずれの度合いは、注入する不純物原子の量に比例して増大し、最終的にはダメージが飽和状態となる。
【００２７】
図２（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明の一実施の形態を説明するための熱エネルギーによりダメージを回復していくイメージ図である。なお、ここでも不純物原子については、図示省略している。まず、図２（ａ）に示すように、ダメージを受けたＳｉウェハ４が熱を受けると、熱エネルギーを受けたＳｉ原子３は、矢印で示す前後左右への熱振動を始めて安定した位置、つまり結晶格子位置２に移動し始める。
【００２８】
ついで、図２（ｂ）に示すように、さらに熱エネルギーを受けると、その熱振動により、Ｓｉ原子３は前後左右に動き、ダメージを徐々に減少（回復）していく。この結果、ダメージを受けたＳｉ原子３は、結晶格子位置２に戻るＳｉ原子５が増加する。
【００２９】
さらに、図２（ｃ）に示すように、熱振動によりウェハ４の表面近傍のＳｉ原子１が結晶格子位置にきわめて近い状態で安定する。なお、ここでも不純物原子は図示省略している。また、Ｓｉ原子１は結晶格子位置にきわめて近い状態で安定するが、不純物原子が残っているため、正確に一致することはない。
【００３０】
このように、図２（ａ）〜（ｃ）では、ダメージを与えたＳｉウェハ４に対し、熱エネルギーを加えて、ウェハ４の回復状態を説明したが、以下図３〜図５により、ダメージの測定，ウェハの温度（熱量）の測定，ウェハ温度や加熱時間等の解析について、具体的な一実施例を説明する。
【００３１】
図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ図２における第１の実施例を説明するための工程順に示した半導体ウェハの断面図である。図３（ａ）に示すように、本実施例は、膜形成をしないでプロセスチャンバー内でのウェハ温度を測定する場合の実施例である。まず、図３（ｂ）に示すように、このＳｉウェハ６に対し、全面にボロンなどの不純物をイオン注入法で注入し、ダメージ層７を形成する。この際の注入条件は、注入エネルギー３０ｋｅＶ，不純物量１Ｅ１４［Ａｔｏｍｓ／平方ｃｍ］（ドーズ量）等であるが、この注入条件は、目的とする測定温度，時間に合わせて変化させ、ダメージと温度とが適度な相関特性となるように調整する。この状態は、不純物がアモルファス状態となっている。これにより、温度測定サンプルが形成される。
【００３２】
次に、温度測定サンプルを作成するにあたり、プロセスチャンバー（図示省略）内でＳｉウェハ６を用意し、熱処理温度、例えば３００℃〜４００℃程度に加熱する。なお、この場合の加熱温度は、３００℃以下でも可能である。
【００３３】
ついで、このＳｉウェハ６のダメージ層７に熱エネルギーを与えて、ダメージの変化量を測定する。具体的には、この温度測定サンプルを温度測定したい装置のプロセスチャンバーに搬送し回収する。
【００３４】
しかる後、このダメージの変化量（ダメージ回復）の測定値より、Ｓｉウェハ６の熱処理温度を解析する。このＳｉウェハ６の熱処理温度を解析するにあたっては、ダメージ層７のダメージの変化量と熱処理温度との相関特性を用い、ダメージの値を温度に変換することにより実現する。
【００３５】
このように処理したウェハのダメージを、例えばＴＷ（Ｔｈａｒｍａｌ−Ｗａｖｅ）法やＰＡ（Ｐｈｏｔｏ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）法により測定し、同一手順であらかじめ求めた温度とダメージとの相関特性（後述の図４）からウェハ温度を求め、更に解析処理を行なえば面内の温度分布（後述の図５）が得られる。
【００３６】
図４は図３における温度とダメージ量の特性図である。図４に示すように、横軸にはスパッタ温度などの熱処理温度をとり、縦軸にはウェハのダメージ量（ＴＷ値）をとっている。この熱処理温度は、ここでは３２０〜３８０℃を示しているが、３００℃以下、または２００℃以下でも可能である。
【００３７】
図４では、イオン注入により形成したウェハ表面のダメージ（ＴＷ値）に対し、熱処理温度が高くなると、ダメージが小さくなることを表わしている。すなわち、スパッタ温度が高くなれば、ウェハのダメージ量は低くなってくる。
【００３８】
図５は図４におけるウェハ温度とダメージ量の分布図である。図５に示すように、ウェハ８の面内温度は、Ｚ軸方向にダメージ量（熱量少に相当）をとると、図示の分布で表わすことができる。例えば、ウェハ８の表面温度分布でＺ軸方向が高い位置は、熱のかかり方が少ないことを表わし、逆に低い位置は、熱のかかり方が多いことを表わしている。
【００３９】
このように、本実施例によると、イオン注入法により簡単に温度測定サンプルを作成することができ、測定対象装置に対しても稼働の合間に温度測定サンプルを処理することができるので、簡単に温度測定を実現することができる。
【００４０】
また、本実施例によれば、ウェハ表面の測定点数を増やすことにより、ウェハ面内の温度分布解析も容易に行なえるため、高い水準での温度管理と高品質な膜質管理を実現することができる。
【００４１】
図６（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ図２における第２の実施例を説明するための工程順に示した半導体ウェハの断面図である。図６（ａ）〜（ｅ）に示すように、本実施例は、金属膜などの膜形成時のウェハ温度を測定する場合の実施例である。
【００４２】
まず、図６（ａ）に示すように、Ｓｉウェハ６を用意した後、図６（ｂ）に示すように、Ｓｉウェハ６の主面に酸化膜９を形成する。ついで、図６（ｃ）に示すように、このＳｉウェハ６の酸化膜９の上からイオン注入法で不純物を注入し、ダメージ層１０を形成する。これにより、温度測定サンプルが得られる。この注入条件は、前述した第１の実施例と同様、例えばボロンを注入エネルギー３０ｋｅＶ、不純物量１Ｅ１４［Ａｔｏｍｓ／平方ｃｍ］（ドーズ量）等にて注入するが、目的とする膜形成温度，時間に合わせて変化させ、ダメージと温度とが適度な相関関係となるように調整する。
【００４３】
次に、図６（ｄ）に示すように、Ｓｉウェハとしての温度測定サンプルに対し、酸化膜９上にスパッタ法やＣＶＤ法によりアルミニウム配線膜などの金属膜１１  を形成する。しかる後、図６（ｅ）に示すように、ウェットエッチにより、この金属膜１１  を除去する。このウェットエッチでは、常温に近い温度でエッチングする事により、熱によるダメージ変化を抑える事が出来る。また、ダメージ層１０が酸化膜９で覆われているので、ウェットエッチの薬液によるＳｉウェハの表面荒れも抑える事が出来る。このようにして得られたＳｉウェハ６に対し、酸化膜９を介してダメージ層１０のダメージの変化量を測定し、そのダメージの変化量の測定値よりＳｉウェハ６の熱処理温度を解析する。その際、Ｓｉウェハ６の熱処理温度を解析するにあたっては、ダメージ層１０のダメージの変化量と熱処理温度との相関特性を用いる。
【００４４】
このように処理したウェハのダメージは、例えばＴＷ（Ｔｈａｒｍａｌ−Ｗａｖｅ）法やＰＡ（Ｐｈｏｔｏ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）法により測定し、同一手順であらかじめ求めた膜形成温度とダメージとの相関特性（前述の図４）からウェハ温度を求め、更に解析処理を行なえば面内の温度分布（前述の図５）が得られる。
【００４５】
本実施例においても、前述した第１の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
また、上述した実施例における金属膜は、スパッタ法により、アルミニウムを用いた配線膜を例に取り上げて説明したが、この他にもＣＶＤ法により、タングステン，窒化チタンなどを用いた配線膜としても良く、あるいは配線膜の代わりに、コンデンサなどの電極膜としても良い。更には、タングステン，窒化チタンの代わりに銅を用い、めっき法により、配線膜や電極膜を形成しても良い。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体ウェハ温度測定方法は、イオン注入法により簡単に温度測定サンプルを作成することができ、測定対象装置に対しても稼働の合間に温度測定サンプルを処理することができるので、非常に簡単に温度測定を実現できるという効果がある。
【００４８】
また、本発明は、ウェハ表面の測定点数を増やすことにより、ウェハ面内の温度分布解析も容易に行なえ、さらに配線膜形成時のウェハ自身の温度測定も可能であるため、高い水準での温度管理と高品質な膜質管理を実現できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための半導体ウェハにおける結晶格子を保ったＳｉ原子の配列状態およびダメージを受けたＳｉ原子の配列状態を表わす図である。
【図２】本発明の一実施の形態を説明するための熱エネルギーによりダメージを回復していくイメージ図である。
【図３】図２における第１の実施例を説明するための工程順に示した半導体ウェハの断面図である。
【図４】図３におけるスパッタ温度とダメージ量の特性図である。
【図５】図４におけるウェハ温度とダメージ量の分布図である。
【図６】図２における第２の実施例を説明するための工程順に示した半導体ウェハの断面図である。
【図７】従来の半導体ウエハ測定方法の各種の例を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１    Ｓｉ原子
２    Ｓｉ原子格子位置
３    熱振動を受けるＳｉ原子
４，６，８    Ｓｉウェハ
５    格子位置に戻ったＳｉ原子
７，１０    ダメージ層
９    酸化膜
１１    金属膜
【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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