(57)【要約】【課題】温度モニタ用半導体ウエハの熱処理時の温度及びその温度分布を、処理容器内を大気開放することなく迅速に求めることができる熱処理装置を提供する。【解決手段】被処理体Ｗに対して所定の熱処理を行う熱処理装置において、排気可能になされた処理容器３０と、被処理体を載置する載置台３２と、処理容器内へガスを供給するガス供給手段３６と、被処理体を加熱する加熱手段３４と、加熱手段の温度を所定の制御対象パラメータに基づいて制御する温度制御手段３５と、温度モニタ用半導体ウエハＷｍのシート抵抗に基づいて制御対象パラメータを調整するプロセス条件調整手段４４とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体に対して所定の熱処理を行う熱処理装置において、
排気可能になされた処理容器と、
被処理体を載置する載置台と、
前記処理容器内へガスを供給するガス供給手段と、
前記被処理体を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段の温度を所定のパラメータに基づいて制御する温度制御手段と、温度モニタ用半導体ウエハのシート抵抗に基づいて前記パラメータを調整するプロセス条件調整手段と、
を備えたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
前記プロセス条件調整手段は、前記シート抵抗と載置台の温度との相関関係を求めることにより予め定められたモデル関数を有していることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
【請求項３】
前記モデル関数は、前記載置台の表面にプリコート層が形成されている場合のモデル関数であることを特徴とする請求項２記載の熱処理装置。
【請求項４】
前記温度モニタ用半導体ウエハは、チルト角とツイスト角がチャネルリングを生じないような最適値に設定されて不純物がイオンビーム注入されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項５】
前記温度モニタ用半導体ウエハは、半導体ウエハの表面に不純物を所定の濃度で導入して形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項６】
前記半導体ウエハ表面はＰ形であり、前記不純物はリンであることを特徴とする請求項５記載の熱処理装置。
【請求項７】
前記加熱手段は、前記載置台において区画された複数の加熱ゾーンに対応させて複数に区分されており、前記加熱手段は前記区分毎に独立して温度制御が可能になされていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項８】
前記熱処理は、加熱処理、プラズマ処理、非プラズマ処理、成膜処理、アニーリング処理、エッチング処理の内のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項９】
被処理体に対して所定の熱処理を行う熱処理システムにおいて、前記被処理体に対して所定の熱処理を行うために、内部に設けた加熱手段を所定のパラメータに基づいて温度制御をする温度制御手段を有する複数の熱処理装置と、
前記熱処理装置に開閉可能になされたゲートバルブを介して連結された共通搬送室と、
前記被処理体を搬送するために前記共通搬送室内に設けられた搬送機構と、
前記共通搬送室に対して開閉可能になされたゲートバルブを介して連結されるシート抵抗測定室と、
温度モニタ用半導体ウエハの表面のシート抵抗を測定するために前記シート抵抗測定室内に設けられたシート抵抗測定装置と、
前記シート抵抗測定装置で求めたシート抵抗に基づいて前記パラメータを調整するプロセス条件調整手段と、
を備えたことを特徴とする熱処理システム。
【請求項１０】
被処理体に対して所定の熱処理を行う熱処理システムにおいて、
前記被処理体に対して所定の熱処理を行うために、内部に設けた加熱手段を所定のパラメータに基づいて温度制御をする温度制御手段を有する複数の熱処理装置と、
前記熱処理装置に開閉可能になされたゲートバルブを介して連結された共通搬送室と、
前記被処理体を搬送するために前記共通搬送室内に設けられた搬送機構と、
温度モニタ用半導体ウエハの表面のシート抵抗を測定するために設けられたシート抵抗測定装置と、
前記シート抵抗測定装置で求めたシート抵抗に基づいて前記パラメータを調整するプロセス条件調整手段と、
を備えたことを特徴とする熱処理システム。
【請求項１１】
前記熱処理装置内と、前記共通搬送室内と、前記シート抵抗測定室内は、真空引き可能になされて真空雰囲気下になされていることを特徴とする請求項９記載の熱処理システム。
【請求項１２】
前記熱処理装置内と、前記共通搬送室内は、真空引き可能になされて真空雰囲気下になされており、前記シート抵抗測定装置は大気圧雰囲気下に設置されていることを特徴とする請求項１０記載の熱処理システム。
【請求項１３】
前記プロセス条件調整手段は、前記シート抵抗と載置台の温度との相関関係を求めることにより予め定められたモデル関数を有していることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載の熱処理システム。
【請求項１４】
前記モデル関数は、前記載置台の表面にプリコート層が形成されている場合のモデル関数であることを特徴とする請求項１３記載の熱処理システム。
【請求項１５】
前記温度モニタ用半導体ウエハは、チルト角とツイスト角がチャネルリングを生じないような最適値に設定されて不純物がイオンビーム注入されていることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれかに記載の熱処理システム。
【請求項１６】
前記温度モニタ用半導体ウエハは、半導体ウエハの表面に不純物を所定の濃度で導入して形成されていることを特徴とする請求項９乃至１５のいずれかに記載の熱処理システム。
【請求項１７】
半導体ウエハ表面はＰ形であり、前記不純物はリンであることを特徴とする請求項１６記載の熱処理システム。
【請求項１８】
前記加熱手段は、前記載置台において区画された複数の加熱ゾーンに対応させて複数に区分されており、前記加熱手段は前記区分毎に独立して温度制御が可能になされていることを特徴とする請求項９乃至１７のいずれかに記載の熱処理システム。
【請求項１９】
前記熱処理は、加熱処理、プラズマ処理、非プラズマ処理、成膜処理、アニーリング処理、エッチング処理の内のいずれかであることを特徴とする請求項９乃至１８のいずれかに記載の熱処理システム。
【請求項２０】
処理容器内の載置台上に載置された被処理体を加熱手段により加熱して所定の熱処理を行うようにした熱処理装置の温度制御方法において、
温度モニタ用半導体ウエハを前記処理容器内で所定の温度で熱処理する熱処理工程と、
熱処理後の前記温度モニタ用半導体ウエハを前記処理容器内から取り出して前記温度モニタ用半導体ウエハの表面の複数の箇所のシート抵抗を測定する測定工程と、
得られたシート抵抗と、予め求めたシート抵抗と載置台の温度との相関関係とに基づいて前記温度制御手段のパラメータを調整するパラメータ調整工程と、
を備えたことを特徴とする熱処理装置の温度制御方法。
【請求項２１】
前記シート抵抗値が、許容範囲外の大きさになった時は、異常を報知することを特徴とする請求項２０記載の熱処理装置の温度制御方法。
【請求項２２】
前記各工程は、定期的、或いは必要に応じて不定期的に行われて求められた各シート抵抗値は経時変化履歴として表示可能に記憶されていることを特徴とする請求項２０または２１記載の熱処理装置の温度制御方法。
【請求項２３】
前記パラメータ調整工程では、前記シート抵抗と載置台の温度との相関関係を求めることにより予め定められたモデル関数を参照することを特徴とする請求項２０乃至２２のいずれかに記載の熱処理装置の温度制御方法。
【請求項２４】
前記モデル関数は、前記載置台の表面にプリコート層が形成されている場合のモデル関数であることを特徴とする請求項２３記載の熱処理装置の温度制御方法。
【請求項２５】
前記温度モニタ用半導体ウエハは、チルト角とツイスト角がチャネルリングを生じないような最適値に設定されて不純物がイオンビーム注入されていることを特徴とする請求項２０乃至２４のいずれかに記載の熱処理装置の温度制御方法。
【請求項２６】
前記温度モニタ用半導体ウエハは、半導体ウエハの表面に不純物を所定の濃度で導入して形成されていることを特徴とする請求項２０乃至２５のいずれかに記載の熱処理装置の温度制御方法。
【請求項２７】
前記半導体ウエハ表面はＰ形であり、前記不純物はリンであることを特徴とする請求項２６記載の熱処理装置の温度制御方法。
【請求項２８】
前記加熱手段は、前記載置台において区画された複数の加熱ゾーンに対応させて複数に区分されており、前記加熱手段は前記区分毎に独立して温度制御が可能になされていることを特徴とする請求項２０乃至２７のいずれかに記載の熱処理装置の温度制御方法。
【請求項２９】
前記加熱手段は、前記載置台の厚さ方向に複数層形成されると共に、前記載置台において区画された複数の加熱ゾーンに対応させて複数に区分されており、前記加熱手段は前記各層の区分毎に独立して温度制御が可能になされていることを特徴とする請求項２０乃至２７のいずれかに記載の熱処理装置の温度制御方法。
【請求項３０】
熱処理装置の温度制御方法において、
温度モニタ用半導体ウエハを熱処理する熱処理工程と、
前記温度モニタ用半導体ウエハのシート抵抗を測定する測定工程と、
前回測定したシート抵抗と今回測定したシート抵抗とを比較する工程と、
前記比較結果が所定値以上開いているときには警報を出す工程と、
を備えたことを特徴とする熱処理装置の温度制御方法。
【請求項３１】
前記シート抵抗の測定は、定期的、或いは不定期的に行われることを特徴とする請求項２０乃至３０のいずれかに記載の熱処理装置の温度制御方法。
【請求項３２】
前記熱処理は、加熱処理、プラズマ処理、非プラズマ処理、成膜処理、アニーリング処理、エッチング処理の内のいずれかであることを特徴とする請求項２０乃至３１のいずれかに記載の熱処理装置の温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被処理体の熱処理装置、熱処理システム及び熱処理装置の温度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体集積回路の製造工程においては、半導体ウエハの表面に配線パターンやホール穴埋めや層間絶縁膜の形成のために、各種の成膜、例えばＷ，ＷＳｉ，Ｔｉ，ＴｉＮ，ＴｉＳｉ，ＳｉＯ２  等の成膜熱処理が繰り返し施される。また、この成膜熱処理の他にも、エッチング処理、酸化拡散処理、アッシング処理等の各種の熱処理も行なわれる。また、この熱処理は、加熱処理、プラズマ処理、非プラズマ処理、アニーリング処理も含まれる。
この場合、歩留り等を向上させるためには、各種の熱処理をウエハ面内に亘って均一に施すことが必要であり、このためには、プロセス圧力、処理ガスの流量、プロセス温度等を精度良く管理してコントロールしなければならず、とりわけプロセス温度の管理が重要である。すなわち、プロセス時にウエハ面内において温度差が生ずるとそれによって熱処理の均一性も低下してしまうので、熱処理プロセスの間、ウエハ温度の面内均一性を保持する必要がある。
【０００３】
この場合、熱処理中にウエハ自体の温度を測定することは非常に困難であり、また、ウエハを載置する載置台の温度やこれに埋め込まれる加熱ヒータを熱電対により検出したとしても、これらの温度とウエハ自体の温度との間には数１０℃もの温度差が生じているのが一般的であり、ウエハ自体の温度を正確に測定するのはかなり困難である。例えば加熱ヒータ温度が６８０℃程度でもウエハの実際の温度は、これよりも８０℃程度も低い例えば６００℃程度となり、測定温度値がウエハ温度を正確に反映しているのではない。
【０００４】
そこで、他のウエハ面内温度の均一性を確保する手法として熱電対を用いた以下のような手法も知られている。すなわち熱処理時におけるウエハ自体の温度を正確に知るために、温度測定用モニタウエハの表面に複数、例えば５個程度の熱電対を面内略均等に設け、これを処理容器内へ導入して目標とする温度条件（面内温度の均一条件）となる加熱ヒータへの投入電力量や埋め込み熱電対の温度検出値等の基準となる値を求めておく。そして、実際に製品ウエハを熱処理する際には、上記温度測定用モニタウエハを用いて求めていた投入電力量や埋め込み熱電対の温度検出値等を維持するようにコントロールしてウエハ面内の温度均一性を確保するようにしている。
【０００５】
この場合、加熱手段が加熱ヒータの時には載置台内に例えば同心状にゾーンに区分されて設けられており、また、加熱手段が複数の加熱ランプならば、主に照射するエリアが複数に区分されており、ゾーン毎に或いはエリア毎に投入電力の個別制御が可能となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、熱処理装置内をメンテナンスした時、処理容器内をクリーニングした時、或いは処理レシピを変える時など多くの場合に、上述したような熱電対を複数個取り付けた温度測定用モニタウエハを用いて目標通りの温度に加熱されているか否か、更に目標通りの面内温度の均一性を高く維持しているか否かの検証を行なうことが一般的に必要である。
この場合、熱電対付きの温度測定用モニタウエハを載置台へ設置したり、或いは測定後にこれより取り外したりする必要があるので、その都度、処理容器内の圧力を昇降させて大気開放する必要があるばかりか、モニタウエハも人間がハンドリングできる常温程度まで低下させる必要があり、その結果、測定に多くの時間、例えば２日間も要してしまう場合もあって、生産性を低下させる原因となっていた。
【０００７】
また、温度測定に熱電対を用いることから、ウエハ表面に取り付ける個数も物理的にそれ程多くすることはできず、ウエハ面内の詳細な温度分布を知ることができないという不便もあった。
また、熱処理時の温度を測定する手法として、特許文献１等に開示されているように、半導体ウエハ表面に絶縁膜を形成してウエハ内に不純物を導入し、これを熱処理後に上記絶縁膜を除去してウエハ表面のシート抵抗を測定し、これにより、上記熱処理時の温度を知る方法も提案されている。
しかしながら、この手法では、熱処理温度が１０００〜１２００℃程度の比較的高温度の熱処理を対象としていることから、不純物の飛散の防止等のための上記絶縁層の形成や除去が必要となり、その分、工程数が多くて手間がかかるという問題があった。尚、本件は本出願人が先に開示した特許文献２の改良発明である。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１−１８１４３６号公報
【特許文献２】
特開２０００−２０８５２４号公報
【０００９】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、温度モニタ用半導体ウエハの熱処理時の温度及びその温度分布を、処理容器内または処理容器が連通可能に構成された複数の処理容器からなる熱処理システムを大気開放することなく迅速に求めることができる熱処理装置、熱処理システム及び熱処理装置の温度制御方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に規定する発明は、被処理体に対して所定の熱処理を行う熱処理装置において、排気可能になされた処理容器と、被処理体を載置する載置台と、前記処理容器内へガスを供給するガス供給手段と、前記被処理体を加熱する加熱手段と、前記加熱手段の温度を所定のパラメータに基づいて制御する温度制御手段と、温度モニタ用半導体ウエハのシート抵抗に基づいて前記パラメータを調整するプロセス条件調整手段と、を備えたことを特徴とする熱処理装置である。
【００１１】
このように、例えば半導体ウエハに不純物をイオン状態で打ち込んで注入することにより形成された温度モニタ用半導体ウエハは結晶が崩れてアモルファス状態となっており、この温度モニタ用半導体ウエハを所定の温度で熱処理（アニール）することにより再結晶化し、注入された不純物であるドーパント原子が例えばＳｉ原子と置き換わり、活性化状態、すなわち、導電形の組み合わせにもよるが自由電子や正孔ができる。この自由電子や正孔の量は、上記熱処理時の処理温度に依存して決まるので、処理温度の履歴が残ることになる。この温度モニタ用半導体ウエハをある程度冷却した後に、表面上の所望の多数点のシート抵抗を測定し、更に、測定したシート抵抗を予め求めておいたシート抵抗と被処理体を載置する載置台の温度との相関関係に参照させることにより、上記各点の熱処理温度及びこの分布の状況が求めることができる。
【００１２】
従って、リード線のついている熱電対を用いた従来の温度測定方法と異なり、温度モニタ用半導体ウエハ自体を処理容器に対して自動的に搬出入することができるので、例えばロードロック室に連接された処理容器内を大気開放することなく、しかも熱処理装置やウエハ温度が室温程度まで冷却することも待つことなく、短時間で温度モニタ用半導体ウエハの表面のシート抵抗を求めてその熱処理時の温度及びその温度分布を知ることができる。従って、この結果をプロセス条件調整手段により加熱手段の温度制御手段にフィードバックさせることにより、経時変化が生じたり、熱処理装置の内部構成部品を交換したりして、熱的条件が変化しても、目標とする熱処理時の温度を常に維持できるので、温度分布の面内均一性や処理温度の再現性を常に維持することができる。
【００１３】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記プロセス条件調整手段は、前記シート抵抗と載置台の温度との相関関係を求めることにより予め定められたモデル関数を有している。
また例えば請求項３に規定するように、前記モデル関数は、前記載置台の表面にプリコート層が形成されている場合のモデル関数である。
また例えば請求項４に規定するように、前記温度モニタ用半導体ウエハは、チルト角とツイスト角がチャネルリングを生じないような最適値に設定されて不純物がイオンビーム注入されている。
また例えば請求項５に規定するように、前記温度モニタ用半導体ウエハは、半導体ウエハの表面に不純物を所定の濃度で導入して形成されている。
また例えば請求項６に規定するように、前記半導体ウエハ表面はＰ形であり、前記不純物はリンである。
また例えば請求項７に規定するように、前記加熱手段は、前記載置台において区画された複数の加熱ゾーンに対応させて複数に区分されており、前記加熱手段は前記区分毎に独立して温度制御が可能になされている。
【００１４】
また例えば請求項８に規定するように、前記熱処理は、加熱処理、プラズマ処理、非プラズマ処理、成膜処理、アニーリング処理、エッチング処理の内のいずれかである。
請求項９に係る発明は、被処理体に対して所定の熱処理を行う熱処理システムにおいて、前記被処理体に対して所定の熱処理を行うために、内部に設けた加熱手段を所定のパラメータに基づいて温度制御をする温度制御手段を有する複数の熱処理装置と、前記熱処理装置に開閉可能になされたゲートバルブを介して連結された共通搬送室と、前記被処理体を搬送するために前記共通搬送室内に設けられた搬送機構と、前記共通搬送室に対して開閉可能になされたゲートバルブを介して連結されるシート抵抗測定室と、温度モニタ用半導体ウエハの表面のシート抵抗を測定するために前記シート抵抗測定室内に設けられたシート抵抗測定装置と、前記シート抵抗測定装置で求めたシート抵抗に基づいて前記パラメータを調整するプロセス条件調整手段と、を備えたことを特徴とする熱処理システムである。
これによれば、熱処理システム内にシート抵抗測定装置を設けるようにしているので、温度モニタ用半導体ウエハを熱処理システムの外へ出すことなくこの表面のシート抵抗を測定し、その結果を、プロセス条件調整手段側から温度制御手段側にフィードバックさせることができる。
【００１５】
請求項１０に係る発明は、被処理体に対して所定の熱処理を行う熱処理システムにおいて、前記被処理体に対して所定の熱処理を行うために、内部に設けた加熱手段を所定のパラメータに基づいて温度制御をする温度制御手段を有する複数の熱処理装置と、前記熱処理装置に開閉可能になされたゲートバルブを介して連結された共通搬送室と、前記被処理体を搬送するために前記共通搬送室内に設けられた搬送機構と、温度モニタ用半導体ウエハの表面のシート抵抗を測定するために設けられたシート抵抗測定装置と、前記シート抵抗測定装置で求めたシート抵抗に基づいて前記パラメータを調整するプロセス条件調整手段と、を備えたことを特徴とする熱処理システムである。
【００１６】
この場合、例えば請求項１１に規定するように、前記熱処理装置内と、前記共通搬送室内と、前記シート抵抗測定室内は、真空引き可能になされて真空雰囲気下になされている。
また例えば請求項１２に規定するように、前記熱処理装置内と、前記共通搬送室内は、真空引き可能になされて真空雰囲気下になされており、前記シート抵抗測定装置は大気圧雰囲気下に設置されている。
また例えば請求項１３に規定するように、前記プロセス条件調整手段は、前記シート抵抗と載置台の温度との相関関係を求めることにより予め定められたモデル関数を有している。
また例えば請求項１４に規定するように、前記モデル関数は、前記載置台の表面にプリコート層が形成されている場合のモデル関数である。
【００１７】
また例えば請求項１５に規定するように、前記温度モニタ用半導体ウエハは、チルト角とツイスト角がチャネルリングを生じないような最適値に設定されて不純物がイオンビーム注入されている。
また例えば請求項１６に規定するように、前記温度モニタ用半導体ウエハは、半導体ウエハの表面に不純物を所定の濃度で導入して形成されている。
また例えば請求項１７に規定するように、半導体ウエハ表面はＰ形であり、前記不純物はリンである。
また例えば請求項１８に規定するように、前記加熱手段は、前記載置台において区画された複数の加熱ゾーンに対応させて複数に区分されており、前記加熱手段は前記区分毎に独立して温度制御が可能になされている。
【００１８】
また例えば請求項１９に規定するように、前記熱処理は、加熱処理、プラズマ処理、非プラズマ処理、成膜処理、アニーリング処理、エッチング処理の内のいずれかである。
請求項２０の発明は、上記熱処理装置や熱処理システムで行われる方法発明を規定しており、すなわち、処理容器内の載置台上に載置された被処理体を加熱手段により加熱して所定の熱処理を行うようにした熱処理装置の温度制御方法において、温度モニタ用半導体ウエハを前記処理容器内で所定の温度で熱処理する熱処理工程と、熱処理後の前記温度モニタ用半導体ウエハを前記処理容器内から取り出して前記温度モニタ用半導体ウエハの表面の複数の箇所のシート抵抗を測定する測定工程と、得られたシート抵抗と、予め求めたシート抵抗と載置台の温度との相関関係とに基づいて前記温度制御手段のパラメータを調整するパラメータ調整工程と、を備えたことを特徴とする熱処理装置の温度制御方法である。
【００１９】
この場合、例えば請求項２１に規定するように、例えば前記シート抵抗値が、許容範囲外の大きさになった時は、異常を報知する。
また例えば請求項２２に規定するように、前記各工程は、定期的、或いは必要に応じて不定期的に行われて求められた各シート抵抗値は経時変化履歴として表示可能に記憶されている。
また例えば請求項２３に規定するように、前記パラメータ調整工程では、前記シート抵抗と載置台の温度との相関関係を求めることにより予め定められたモデル関数を参照する。
また例えば請求項２４に規定するように、前記モデル関数は、前記載置台の表面にプリコート層が形成されている場合のモデル関数である。
【００２０】
また例えば請求項２５に規定するように、前記温度モニタ用半導体ウエハは、チルト角とツイスト角がチャネルリングを生じないような最適値に設定されて不純物がイオンビーム注入されている。
また例えば請求項２６に規定するように、前記温度モニタ用半導体ウエハは、半導体ウエハの表面に不純物を所定の濃度で導入して形成されている。
また例えば請求項２７に規定するように、半導体ウエハ表面はＰ形であり、前記不純物はリンである。
また例えば請求項２８に規定するように、前記加熱手段は、前記載置台において区画された複数の加熱ゾーンに対応させて複数に区分されており、前記加熱手段は前記区分毎に独立して温度制御が可能になされている。
また例えば請求項２９に規定するように、前記加熱手段は、前記載置台の厚さ方向に複数層形成されると共に、前記載置台において区画された複数の加熱ゾーンに対応させて複数に区分されており、前記加熱手段は前記各層の区分毎に独立して温度制御が可能になされている。
請求項３０に係る発明は、熱処理装置の温度制御方法において、温度モニタ用半導体ウエハを熱処理する熱処理工程と、前記温度モニタ用半導体ウエハのシート抵抗を測定する測定工程と、前回測定したシート抵抗と今回測定したシート抵抗とを比較する工程と、前記比較結果が所定値以上開いているときには警報を出す工程と、を備えたことを特徴とする熱処理装置の温度制御方法である。
また例えば請求項３１に規定するように、前記シート抵抗の測定は、定期的、或いは不定期的に行われる。
また例えば請求項３２に規定するように、前記熱処理は、加熱処理、プラズマ処理、非プラズマ処理、成膜処理、アニーリング処理、エッチング処理の内のいずれかである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る熱処理装置、熱処理システム及び熱処理装置の温度測定方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
＜第１実施例＞
図１は熱処理装置を含む熱処理システムの第１実施例を示す概略構成図、図２は載置台に設けられる加熱手段の一例を示す概略平面図である。
まず、本発明方法を実施するための熱処理装置を含む熱処理システムについて概略的に説明する。この熱処理システム２は、被処理体である例えば半導体ウエハＷに対して所定の熱処理を施す熱処理装置４と、これにゲートバルブＧ１を介して連通及び遮断可能に接続されたロードロック室６と、更にこのロードロック室６にゲートバルブＧ２を介して連通及び遮断可能に接続されたカセット室８とにより主に構成されている。
【００２２】
上記カセット室８は、半導体ウエハＷを多数枚収容できるカセット１０を載置するカセット台１２が内部に設けられており、このカセット台１２はカセット室８の底部を貫通する昇降バー１４の上端に設けられて、昇降及び旋回可能になされている。このカセット室８の側壁には、カセット１０を搬出入するゲートドアＧ３が設けられ、また、カセット室８内にＮ２  ガス等の不活性ガスを導入するガス導入口１６及び室内の雰囲気を排出するガス排気口１８もそれぞれ設けられる。尚、図示例では本発明方法で用いられる温度モニタ用半導体ウエハ（以下、「モニタウエハ」とも称す）Ｗｍが例えば１枚、カセット１０内に収容されている。
【００２３】
一方、上記ロードロック室６内には、半導体ウエハＷを上記カセット室８及び熱処理装置４との間で受け渡しするために多関節構造の搬送アーム２０が屈伸及び旋回可能に設けられる。また、このロードロック室６には、内部にＮ２  ガス等の不活性ガスを導入するガス導入口２２及び内部の雰囲気を排出するガス排気口２４がそれぞれ設けられる。そして、このガス排気口２４には、途中で真空ポンプ２６を介設した真空排気系２８が接続されており、ロードロック室６内を真空引きできるようになっている。
【００２４】
一方、上記熱処理装置４は、例えばアルミニウム等により円筒状に成形された処理容器３０を有しており、この内部には、上面にウエハＷを載置する載置台３２が設けられる。この載置台３２内には、図２にも示すように例えば同心円状に３つにゾーン区分された加熱手段としての加熱ヒータ３４が埋め込まれており、ウエハＷを加熱し得るようになっている。ここでは内周、中周、外周の各ゾーンに３つに区分され、各区分には加熱ヒータ３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃがそれぞれ配置されている。尚、このゾーン数は特に限定されず、またゾーンの形態は同心円状に限定されず、例えば円の集合体のようなゾーン区分でもよい。上記各加熱ヒータ３４Ａ〜３４Ｃはゾーン毎に投入電力の制御が可能であり、その制御のためにゾーン毎に熱電対（図示せず）も埋め込まれている。そして、上記加熱ヒータ３４Ａ〜３４Ｃは所定の制御対象パラメータに基づいてそれぞれの温度を制御する温度制御手段３５に接続されており、上述したように個別に温度制御できるようになっている。
【００２５】
また、この載置台３２には、ウエハＷの搬入搬出時にこの昇降を行なうリフタピン（図示せず）が設けられる。上記処理容器３０内の天井部には、処理容器３０内へ必要な処理ガス等を導入するためのガス供給手段として例えばシャワーヘッド部３６が設けられており、また、底部には、内部雰囲気を排出するガス排気口３８が設けられる。そして、このガス排気口３８には、途中に真空ポンプ４０を介設した真空排気系４２が接続されており、処理容器３０内を真空引き可能としている。そして、上記温度制御手段３５には例えばマイクロコンピュータ等よりなるプロセス条件調整手段４４が接続して設けられており、後述するようにモニタウエハＷｍのシート抵抗に基づいて上記温度制御手段３５の制御対象パラメータを必要に応じて調整し得るようになっている。ここで上記モニタウエハＷｍは、第１の導電形の不純物が入っているシリコン基板の表面に第２の導電形の不純物をイオンビーム注入法等により所定の濃度で導入することにより形成されている。
【００２６】
そして、上記プロセス条件調整手段４４は、調整時に必要とされるデータ等を記憶するためのメモリ４６を有していると共に、所定の場合にはオペレータに対して警報等を発するための警報部４８を有している。ここで上記シート抵抗は、オペレータによりマニュアルにより直接入力されたり、或いは後述するシート抵抗測定装置からの測定値を直接的に、自動的に入力されたりする。そして、上記メモリ４６には、モニタウエハＷｍのシート抵抗と載置台３２、すなわちここでは抵抗加熱ヒータ３４の温度との相関関係を予め求めることにより予め定められたモデル関数が記憶されており、このモデル関数にシート抵抗を参照させることによって載置台３２の測定、すなわち抵抗加熱ヒータ３４の温度を特定できるようになっている。換言すれば、モニタウエハＷｍが晒された温度とこのシート抵抗との間には相関関係が発生するので、このシート抵抗を知ることにより、モニタウエハＷｍが晒された温度を知ることができる。実際のプロセスでは、ウエハＷ（モニタウエハＷｍ）と載置台３２（加熱手段３４）との間にはその時の処理容器３０内の圧力に依存して数℃〜数１０℃の温度差が発生してウエハ温度よりも載置台３２の温度の方が高くなっている。そして、上記温度差は、その時の容器内圧力により一義的に定まるので、上記モデル関数を作製する時には、上記温度差を加味したモデル関数を作製しておく。尚、この熱処理システム２の全体は、コンピュータよりなる図示しない主制御部により、プロセス条件を含めて各部の動作制御が行われる。
ここでは、同一平面上に複数の加熱ゾーンを同心円状に並べた加熱ヒータ３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃの例につき説明したが、各加熱ゾーンを垂直方向に複数の層構造に構成して、各層毎に独立して加熱制御ができるようにすることもできる。一例としては、例えば国際公開番号ＷＯ００／７０６５８に開示されているような載置台にも適用でき、例えば図３に加熱ヒータが２層構造になっている載置台の断面図で示されるように、前記３ゾーンの同一平面上の加熱ヒータを、各２層の加熱ヒータ３４Ａ〜３４Ｃ、３４Ｄ〜３４Ｆとして独立して設けて、合計６個の独立した加熱ヒータ３４Ａ〜３４Ｃ、３４Ｄ〜３４Ｆにより、ウエハの面内均一加熱を達成するように構成することができる。
【００２７】
次に、以上のように構成された熱処理システム２を用いて行なわれる本発明方法について説明する。
まず、一般的に半導体ウエハＷをカセット室８と熱処理装置４との間で受け渡しを行なうには、ロードロック室６内の搬送アーム２０を屈伸及び旋回させてこれを行なう。上記カセット室８内は、常時不活性ガスで大気圧程度に維持され、また、処理容器３０内はウエハの連続処理が行なわれている間は真空状態（減圧雰囲気）になされている。従って、ロードロック室６内は、ウエハＷの搬入及び搬出のたびにロードロック室６及び処理容器３０との間が圧力調整のために大気圧状態と真空状態とを繰り返すことになり、結果的に、処理容器３０内の真空状態を破ることなく、ウエハＷの搬入及び搬出が行なわれる。
【００２８】
ところで、載置台３２内の加熱ヒータ３４Ａ〜３４Ｃに関しては、載置台３２上に載置されるウエハＷを面内温度の均一性が高い状態で且つ目標とするプロセス温度を維持できるように予め投入電力が決定されているが、例えば処理容器３０内のクリーニングを行なった時、処理レシピを変更した時、容器内部の部品を交換するなどの各種のメンテナンスを行なった時などは、種々の特性が変わってしまって上述したようなウエハを目標とするプロセス温度に維持できなくなったり、或いは加熱温度の面内均一性を高く維持できなくなる恐れが生ずる。
【００２９】
そのため、温度モニタ用半導体ウエハＷｍを用いて従前通りの適正な面内温度分布を維持しているか否か及び目標とするプロセス温度に加熱維持できるか否かを検査する必要が生ずる。そして、維持していない場合には、投入電力を全体的に増減したり、或いは各加熱ヒータ３４Ａ〜３４Ｃへの投入電力を個別に増減したりする調整が必要となる。
この温度モニタ用半導体ウエハＷｍは、予めカセット１０内に収容しておいてもよいし、必要時に、カセット室８のゲートドアＧ３を介してカセット室８内へ導入してもよい。この温度モニタ用半導体ウエハＷｍとしては、第１の導電形、例えばＰ形のＳｉ単結晶の基板を用い、これに第２の導電形であるＮ形の不純物、ここでは例えばリンイオンを所定の濃度で導入しておく。
【００３０】
この場合、イオン注入条件は、例えばリンイオンを例えば８０ＫｅＶのエネルギーで注入し、濃度（ドーズ量）は臨界ドーズ量以上の値、例えば５×１０１４ａｔｍｓ／ｃｍ２  程度にしておき、更に、イオン注入時にチャネリングが生じないようにチルト角は７度、ツイスト角は３５度程度にそれぞれ設定する。
このように、ウエハへ不純物を導入する導入行程が終了したならば、次に、熱処理工程へ移行する。まず、ロードロック室６内をカセット室８内と略同じ大気圧程度まで復帰させてゲートバルブＧ２を開く。そして、このロードロック室６内の搬送アーム２０を屈伸させて、開放されたゲートバルブＧ２を介してカセット１０内の温度モニタ用半導体ウエハＷｍを取り上げ、これをロードロック室６内に取り込む。次に、上記ゲートバルブＧ２を閉じた後、このロードロック室６内の雰囲気を真空引きして処理容器３０内の圧力と略同圧とする。
【００３１】
このように、ロードロック室６内の圧力と処理容器３０内の圧力が略同圧となったならば、ゲートバルブＧ１を開いてロードロック室６と処理容器３０内を連通し、温度モニタ用半導体ウエハＷｍを処理容器３０内へ搬入してこれを載置台３２上に載置する。そして、ゲートバルブＧ１を閉じて、上記温度モニタ用半導体ウエハＷｍに所定の熱処理を施す。ここでは、例えば８インチサイズのウエハを用いており、この時の熱処理条件に関しては、シャワーヘッド部３６から例えばＮ２  ガスを２００ｓｃｃｍの流量で供給し、プロセス圧力を０．３Ｔｏｒｒ（４０Ｐａ）とし、更に、プロセス温度は、例えば不純物飛散が生じないようなプロセス温度、例えば６８０℃（ヒータ温度）に設定する。そして、プロセス時間を例えば１８０秒とする。このように、温度モニタ用半導体ウエハＷｍを熱処理（アニール）することにより、先のイオン注入により結晶が崩れた部分においてドーパント原子が格子上のＳｉ（シリコン）原子と置き換わってここでは自由電子が発生し、活性状態となる。この時に発生する自由電子の量はモニタウエハ表面のその部分における実際の熱処理温度、すなわちその時に晒された温度に依存するので、後述するようにモニタウエハ表面の各部分のシート抵抗を測定することによりその局部的な実際の温度を知ることができる。具体的な実施例として、図２に示す３つの同心円状の加熱ヒータ３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃの各加熱ゾーンに対応したモニタウエハ表面の各シート抵抗を測定することで、相互の温度比較の目的に使用するデータを得ることができる。
【００３２】
このようにして、熱処理工程が終了したならば、次に、測定工程へ移行する。ここでは、まず、載置台３２上の熱処理済みの温度モニタ用半導体ウエハＷｍを搬送可能な温度、例えば１００℃程度まで冷却し、ゲートバルブＧ１を開くことにより、予め処理容器３０内と同じ圧力の真空状態に維持されているロードロック室６内と連通し、熱処理済みのモニタウエハＷｍをロードロック室６内に取り込む。そして、このゲートバルブＧ１を閉じた後、ロードロック室６内にＮ２  ガスを導入して大気圧に復帰し、更にゲートバルブＧ２を開いて大気圧状態に維持されているカセット室と連通し、この熱処理済みのモニタウエハＷｍをカセット１０内へ搬入する。その後は、この熱処理済みのモニタウエハＷｍを外へ取り出して、オペレータがモニタウエハ表面の多数点、例えば４９箇所のシート抵抗を測定して求める。このように測定工程が終了したならば、次に、温度探究工程へ移行する。ここでは、前述したと同じ熱処理条件（ガス種、ガス流量、プロセス圧力、プロセス温度、処理時間等）でモニタウエハを予め熱処理し、予め求めたシート抵抗と熱処理温度（加熱ヒータや載置台の温度）との関係を示すテーブル或いはグラフがモデル関数として予め用意されてプロセス条件調整手段４４のメモリ４６に予め記憶されている。このモデル関数の作成には、モニタウエハ表面に複数の熱電対を付着させた従来の温度測定方法が用いられている。これにより、シート抵抗とその局所の実際の温度履歴との相関関係が一義的に定まることになる。この場合、前述したようにモニタウエハと載置台３２（加熱手段３４）との間にはこの熱処理時のプロセス圧力に依存した温度差が生じているので、プロセス圧力により一義的に定まるこの温度差（数度〜数１０度）を加味してモデル関数を作製する。このモデル関数を参照して上記測定工程で求めた４９箇所のシート抵抗より、それぞれの対応する部分の熱処理時の温度を求める。これをプロットすることにより、温度モニタ用半導体ウエハＷｍの温度や温度分布や温度の面内均一性を得ることができる。
【００３３】
このシート抵抗からモニタウエハＷｍの温度や温度分布や面内均一性を得る操作は、例えばオペレータが測定したシート抵抗を上記プロセス条件調整手段４４へ入力することにより自動的に行われ、例えば載置台３２（加熱ヒータ３４Ａ〜３４Ｃ）が目標の温度を維持し、且つ温度の面内均一性を維持するように温度制御手段３５に対して制御対象パラメータを調整する。また、このプロセス条件調整手段４４へは設定パラメータとしてプロセス温度を入力するようになっている。
これにより、定期的に、或いはクリーニング処理後や容器内の構成部品等を交換した時などに必要に応じて不定期的に、上記したようにモニタウエハＷｍを熱処理してそのシート抵抗を求めて制御対象パラメータを調整することにより、製品ウエハを処理する時のプロセス温度を常に目標とするプロセス温度に維持でき、しかも、温度の面内均一性も高く維持することができる。このようなモニタウエハＷｍのシート抵抗の測定は、上記の外に、装置の立ち上げ時、トラブルが発生した時等、必要な時にはいつでも行うことができる。
【００３４】
また本発明方法によれば、熱電対を用いず、しかも処理容器３０内の真空状態を破ることなく温度モニタ用半導体ウエハＷｍの熱処理時の温度、その温度分布及びその面内均一性を知ることができるので、処理容器３０内の圧力調整時間、ウエハ温度の冷却時間が短時間となり、迅速に面内温度の均一性の評価を行なうことができる。
また、物理的に熱電対を設けることなくシート抵抗を測定するだけで熱処理温度を認識できるので、多数箇所のシート抵抗を測定することにより、詳細な温度分布を求めることができる。
【００３５】
更には、特開平１−１８１４３６号公報で示されるような不純物飛散防止用の絶縁膜を形成したり、除去する必要がないので、一層迅速に温度分布を求めることができる。
また上記定期的、或いは不定期的に測定されるモニタウエハＷｍのシート抵抗は経時変化を示す情報なので、経時変化履歴としてメモリ４６に記憶されており、必要に応じてこの経時変化履歴を図示しない表示手段に表示してオペレータが確認することができる。
また、モニタウエハＷｍのシート抵抗を測定した時には、この値が前回の測定時よりも許容量を超えて大きく変化している場合には、異常が発生したものとして例えば警報部４８を起動させて、その旨をオペレータに知らせることができる。
【００３６】
ここで、最適な不純物濃度を求めるために、上述した実施例で用いた温度モニタ用半導体ウエハＷｍのイオン濃度のみを種々変更し、他の条件を全く同じに設定して上述したと同様な温度測定を行なった。その時のシート抵抗と加熱ヒータとの温度との関係を図４に示す。
ここでは、不純物リンのイオン濃度として、５×１０１４ａｔｍｓ／ｃｍ２  （先に説明した実施例）、１×１０１５ａｔｍｓ／ｃｍ２  及び３×１０１５ａｔｍｓ／ｃｍ２  の３種類を用いている。また、縦軸のシート抵抗は対数目盛をとっており、グラフは測定箇所４９点の平均値をプロットしている。図４に示すグラフから明らかなように不純物であるリンのイオン濃度に関係なく、各曲線は加熱ヒータ（載置台）の温度が５３０℃から７２０℃まで（一部は６００℃から）上昇するに従って、シート抵抗は次第に低下してきており、両者間には相関関係が明確に存在することが確認できた。特に、不純物のイオン濃度が５×１０１４ａｔｍｓ／ｃｍ２  の場合には、シート抵抗の変化状態が非常に直線的になっており、シート抵抗から熱処理時の温度を求める上で使い勝手が非常に良くて好ましいことが判明した。ここで得られるシート抵抗の特性曲線が上記プロセス条件調整手段４４のメモリ４６にモデル関数として予め記憶されることになる。
【００３７】
次に、温度モニタ用半導体ウエハに対する不純物のイオン注入濃度を５×１０１４ａｔｍｓ／ｃｍ２  に固定的に設定し、ガス種、ガス流量、プロセス圧力、処理時間等の熱処理条件を上記熱処理条件と同じ条件に設定して多数枚の温度モニタ用半導体ウエハに対して熱処理を施した時の再現性の試験を行なった。この再現性試験の結果を図５に示す。ここでは、日付を第１日目〜第３日目まで３日間変え、更にその都度、加熱ヒータの温度を５３０℃〜７２０℃の範囲内の複数点（６点）で熱処理を行なった。
この図５に示すグラフから明らかなように、縦軸のシート抵抗の目盛を対数目盛にしたグラフにおいて、加熱ヒータの温度が５３０℃〜７２０℃の範囲内においてシート抵抗は温度が高くなるに従って略直線的に下がっているので、明確に相関関係が表れており、更に、日付を異ならせて行なった場合でも相互間のズレがほとんどなく、非常に再現性が良好であることが確認できた。これにより、精度の高い温度及び温度分布を得ることが可能な点が確認できた。
【００３８】
尚、本実施例で用いた熱処理条件は、単に一例を示したに過ぎず、前述したものに限定されないのは勿論である。他の熱処理条件についても予め上記したようなモデル関数を求めておき、このモデル関数をメモリ４６に予め記憶させておく。この点については後述する。
【００３９】
ここで上記プロセス条件調整手段４４における動作について説明する。このプロセス条件調整手段４４の構成は、例えば本出願人が先に特開２００２−３４３７２６号公報で開示した技術を転用することができる。
上記プロセス条件調整手段４４へ入力される設定パラメータは上記制御対象パラメータに影響を与えるパラメータを指し、この設定パラメータはこの熱処理システム２の全体の動作を制御するコンピュータ（図示せず）よりレシピに基づいて出力されるプロセス温度である。またこのプロセス条件調整手段４４から上記温度制御手段３５へ向けて出力される制御対象パラメータは、加熱ヒータの実際の目標とする温度である目標温度が対応する。
上記設定パラメータであるプロセス温度は、予め設定されたレシピによりホストコンピュータ等より供給され、また、ここでは制御対象パラメータである加熱ヒータの目標値温度ｒｔ  は上記プロセス条件調整手段４４により求められる。
【００４０】
さて、このプロセス条件調整手段４４には、図４や図５に示すような加熱ヒータ温度（載置台温度）とシート抵抗との相関関係で定められるモデル関数が予め記憶されていると共に、これに入力される設定パラメータの設定値Ｄｔ  、すなわちここではプロセス温度の設定値に基づいて制御対象パラメータの目標温度ｒｔ  を算出するようになっている。ウエハのプロセス温度が５００度の場合、当初は加熱ヒータを５２０度まで加熱すれば上記プロセス温度を実現できたが、その後、経時変化等で加熱ヒータを５５０度まで加熱しなければ上記プロセス温度を実現できない場合があるからである。尚、前述したように上記図４及び図５に示すグラフは加熱ヒータの温度と実際のウエハの温度との温度差を加味して予め作製されている。
【００４１】
以上の点について具体的に説明する。前述したように、モニタウエハＷｍと、これを加熱処理した時のシート抵抗との相関関係であるモデル関数を予め求めて、このモデル関数を上記プロセス条件調整手段４４のメモリ４６に記憶させておく。
ここで、本実施例ではモデル関数としては、自己回帰移動平均モデル（ＡＲＭＡ：ａｕｔｏｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ  ｍｏｖｉｎｇ−ａｖｅｒａｇｅ  ｍｏｄｅｌ）、自己回帰モデル（ＡＲ：ａｕｔｏｒｅｇｒｓｓｉｖｅ  ｍｏｄｅｌ）、逐次形最小２乗法、カルマンフィルター、最尤推定法等を用いることができる。
【００４２】
ところで、一般の成膜処理では、製品ウエハに実際に成膜するに先立って載置台３２の表面や処理容器３０の内壁面等に、ウエハ上に成膜する膜種と同じ膜種を予め薄く形成してプリコート膜を設けて、容器内部の熱的条件を安定化させているが、上記図４及び図５に示すグラフを得る場合にも、プリコート膜が形成された後にモニタウエハＷｍを加熱処理（アニール）してシート抵抗のデータを取るのが望ましい。ただし、プリコート膜を形成する前にモニタウエハＷｍを加熱処理（アニール）してシート抵抗のデータを取ってもよく、この場合には、このデータは例えば載置台３２の加熱ヒータ３４の調整等を行う際に使用することができる。換言すれば、プリコート膜の有り無しに関係なく、必要に応じていつでも簡単にモニタウエハＷｍを用いてシート抵抗を測定することができる。
【００４３】
また本発明を適用できる熱処理としては、プラズマ処理、非プラズマ処理を含めウエハＷを加熱処理する全ての熱処理について適用でき、例えば熱ＣＶＤ成膜処理、酸化拡散処理、アニール処理、改質処理、アッシング処理、プラズマＣＶＤ成膜処理、エッチング処理、自然酸化膜を除去するプリクリーン処理等の全ての熱処理に適用することができる。
またイオン注入される不純物の種類（ドーズ種）もリンに限定されず、多くの元素、例えばＨ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｎｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ等を用いることができる。この場合、原子量が軽い元素程、少ない熱エネルギーで容易に活性化するので、より低温での熱処理を行う時のモデル関数を作製する時に用いることに適する。また逆に、上述の元素の中で比較的重い元素を用いる場合には、より高温で熱処理を行う時のモデル関数を作製する時に用いることに適する。また注入されるイオン濃度は、５×１０１３〜５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２  程度の範囲内で十分であり、イオン濃度が大きい程、低温の熱処理に対応でき、イオン濃度が小さい程、高温の熱処理に対応することができる。
【００４４】
上述のように、イオン注入されるドーズ種やイオン濃度を適宜選択することにより、本発明のモニタウエハＷｍは２００〜１２００℃の広い範囲に亘って対応することができる。
またイオン注入時の加速エネルギーは特に限定されないが、例えば１０ＫｅＶ〜４００ＫｅＶ程度の大きさで、シート抵抗と加熱温度との相関関係が十分に有るモニタウエハＷｍを得ることができる。
尚、プロセス条件調整手段４４には、当該熱処理装置で実行されるレシピのプロセス温度等の処理条件に対応させて熱処理したモニタウエハＷｍのモデル関数が予め記憶されているのは勿論である。
【００４５】
次に、実際のモデル関数の他の具体例について説明する。
図６はシート抵抗と加熱ヒータ（載置台）の温度との相関関係の第２例を示すグラフである。図６に示すように、ここでは５００〜６８０℃の範囲内でシート抵抗との相関関係が十分に現れていることが理解できる。ここでのモニタウエハＷｍのイオン注入条件に関しては、注入元素はリンであり、イオン濃度は１．５×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２  である。モニタウエハＷｍの熱処理条件は、Ｎ２  ガスの流量が３６００ｓｃｃｍ、圧力が５Ｔｏｒｒ（６６５Ｐａ）、処理時間が１８０秒である。尚、このモデル関数は例えばＴｉＮ膜の成膜用の熱処理装置に用いられる。
【００４６】
図７はシート抵抗と加熱ヒータ（載置台）の温度との相関関係の第３例を示すグラフである。図７に示すように、ここでは４５０〜５５０℃の範囲内でシート抵抗との相関関係が直線に近い状態で十分に現れていることが理解できる。ここでのモニタウエハＷｍのイオン注入条件に関しては、注入元素はリンであり、イオン濃度は５．０×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２  である。モニタウエハＷｍの熱処理条件は、Ａｒガスの流量が５００ｓｃｃｍ、圧力が９３．３Ｐａ、処理時間が３分、５分、１０分の３種類である。尚、このモデル関数は例えばＷＳｉ（タングステンシリサイド）膜の成膜用の熱処理装置に用いられる。
【００４７】
図８はシート抵抗と加熱ヒータ（載置台）の温度との相関関係の第４例を示すグラフである。図８に示すように、ここでは５００〜６００℃の範囲内でシート抵抗との相関関係が十分に現れていることが理解できる。尚、温度５００℃以下では、シート抵抗が略飽和しているのでこの領域は温度測定に用いることが困難である。ここでのモニタウエハＷｍのイオン注入条件に関しては、注入元素は砒素であり、イオン濃度は１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２  である。モニタウエハＷｍの熱処理条件は、Ｎ２  ガスの流量が１０００ｓｃｃｍ、圧力が１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）、処理時間が１８０秒である。尚、このモデル関数は例えば金属膜のＣＶＤによる成膜用の熱処理装置に用いられる。
【００４８】
図９はシート抵抗と加熱ヒータ（載置台）の温度との相関関係の第５例を示すグラフである。図９に示すように、ここでは２００〜５００℃の比較的低温の範囲内でシート抵抗との相関関係が十分に現れていることが理解できる。ここでのモニタウエハＷｍのイオン注入条件に関しては、注入元素はボロンであり、イオン濃度は１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２  である。モニタウエハＷｍの熱処理条件は、Ｎ２  ガスの流量が１０００ｓｃｃｍ、圧力が５１Ｔｏｒｒ（６７８３Ｐａ）、処理時間が３０分である。尚、このモデル関数は例えば金属膜のＣＶＤによる成膜用の熱処理装置に用いられる。
【００４９】
更にモニタウエハＷｍのイオン注入時のドーズ種、及びイオン濃度（ドーズ量）を種々変更した時のモニタウエハＷｍの適用可能な温度範囲を検討したので、その評価結果について説明する。図１０は上記評価結果を示す図である。この図から明らかなように、Ｂ、Ｈ、Ｈｅ、Ｌｉ、Ｂｅ等の比較的軽い元素をドーズ種として用いると、比較的温度が低い１００〜５００℃の低温域の範囲内でもシート抵抗と加熱温度との相関関係が得られることが判明する。
またＰ（リン）を用いてこのドーズ量を適宜変化させると、その適用温度範囲も３５０〜７２０℃の中温域、更には７００〜１２００℃の範囲の高温域まで適用できることが判明する。特に、ＢやＡｓ等を用いた場合にも、７００〜１２００℃の範囲の高温域でも適用できることが判明する。この場合、ドーズ量は５．０×１０１３〜５．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２  の範囲内で種々変更することができる。またイオン注入時の加速電圧も１０ＫｅＶ〜４００ＫｅＶの範囲内で適宜選択することができる。
【００５０】
尚、イオン注入時のチルト角は７度であり、ツイスト角は２２〜４５度の範囲内であり、モニタウエハＷｍのシリコン基板の結晶方位面は［１００］である。ここで１つの熱処理装置でプロセス温度が異なる複数の熱処理を行う場合には、各プロセス温度に対応した複数のモデル関数をプロセス条件調整手段４４のメモリ４６（図１参照）に予め記憶させておくようにする。
ここで参考として、上記モニタウエハＷｍを用いて加熱ヒータの調整を行ったプロセスの一例を図１１に示す。図１１に示すように、プリクリーン処理、Ｔｉ成膜処理、、ＴｉＮ成膜処理、Ｗ（タングステン）成膜処理、ＷＳｉ２  成膜処理、ＴａＯ成膜処理、Ｏ３  を用いた改質処理、金属膜の成膜処理等の各処理を行う熱処理装置にて、モニタウエハＷｍを用いて加熱ヒータの温度調整を行うことができる。尚、図１１中には、参考として各プロセスを行う時の温度範囲、圧力範囲、処理時間の範囲、各ガス流量の範囲を記載している。また、図１１に示す以外の他の熱処理を行う熱処理装置にも上記モニタウエハＷｍを適用できることは前述した通りである。
【００５１】
更に、モニタウエハＷｍが適用できる熱処理装置の熱処理としては、減圧（真空）処理に限定されず、大気圧での熱処理、大気圧より高い陽圧状態での熱処理を行う装置でも適用することができる。
図１に示す熱処理システムでは１つの熱処理装置を用い、処理システムの外部に設けたシート抵抗測定装置でオペレータがシート抵抗を測定するシステム例を示したが、これに限定されず、処理システム自体にシート抵抗測定装置を設け、且つ複数の熱処理装置を設けた熱処理システムにも本発明を適用することができる。
図１２は上述したような熱処理システムの第２実施例を示す概略平面図、図１３はシート抵抗測定装置を示す概略構成図である。
【００５２】
図１２に示すように、この熱処理システムは、いわゆるクラスタツール化された熱処理システムである。具体的には、この熱処理システムは、真空雰囲気下で所定の熱処理を行うための複数、図示例では３つの熱処理装置４Ａ、４Ｂ、４Ｃが設けられると共に、各熱処理装置４Ａ〜４Ｃ内には、加熱手段（図示せず）により加熱されてその上にウエハＷを載置する載置台３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃが設けられる。そして、各載置台３２Ａ〜３２Ｃの温度は、それぞれに接続される温度制御手段３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃにより個別に制御される。
【００５３】
上記各熱処理装置４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、真空排気可能になされた例えば６角形状になされた共通搬送室６０にそれぞれ開閉可能になされたゲートバルブＧ１１、Ｇ１２、Ｇ１３を介して接続されている。そして、この共通搬送室６０には、ゲートバルブＧ１４を介して、真空引き可能になされたシート抵抗測定室６２が接続されると共に、このシート抵抗測定室６２内には、モニタウエハＷｍのシート抵抗を設定するためのシート抵抗測定装置６４が収容されている。このシート抵抗測定装置６４は、例えば特開平７−１０６３８８号公報に開示されているような装置を用いることができ、具体的には、図１３にも示すように、このシート抵抗測定装置６４は、モニタウエハＷｍを載置して固定するモニタ台６６と、これに対向して配置される４端子測定ヘッド６８とよりなる。そして、この４端子測定ヘッド６８は、駆動機構７０により平面方向及び上下方向へ任意に移動できるようになされており、上記モニタウエハＷｍ上の多点でこのシート抵抗を測定できるようになっている。
【００５４】
尚、このシート抵抗測定装置６４の構成は単に一例を示したに過ぎず、この構成に限定されないのは勿論である。そして、このシート抵抗測定装置６４は、図１において説明したものと同様な構成のプロセス条件調整手段４４及びメモリ４６に接続されている。尚、図１２では警報部４８の記載は省略している。そして、この１台のプロセス条件調整手段４４が、上記全ての温度制御手段３５Ａ〜３５Ｃに接続されており、各個別に独立して制御対象パラメータを調整できるようになっている。従って、このメモリ４６には各熱処理装置４Ａ〜４Ｃで行われる異なる熱処理のレシピに対応する個別の複数のモデル関数が予め記憶されており、必要に応じて適宜選択されて使用されることになる。
【００５５】
また、上記共通搬送室６０内には、ウエハＷを搬送するために屈伸及び旋回可能になされた２ピックの多関節アームよりなる真空搬送機構７２が設けられる。そして、この共通搬送室６０には、真空排気可能になされた２つのロードロック室７４Ａ、７４ＢがそれぞれゲートバルブＧ１５、Ｇ１６を介して連結されている。また、これらのロードロック室７４Ａ、７４Ｂの反対側は、それぞれゲートバルブＧ１７、Ｇ１８を介して横長の大気側搬送室７６に連結されている。この大気側搬送室７６内は、Ｎ２  ガスや洗浄空気で常時大気圧に維持されている。
【００５６】
そして、上記共通搬送室６０側は、熱処理時には常時真空雰囲気になされており、大気側搬送室７６側との間でウエハＷを搬送する時には、上記ロードロック室７４Ａ、７４Ｂ内を真空状態と大気状態との間を繰り返すことで、共通搬送室６０側の真空を破ることなくウエハＷの搬入搬出を行う。
また上記大気側搬送室７６内には、ウエハＷを搬送するためにその長手方向へ移動可能になされて伸縮及び旋回が可能になされた２ピックの大気側搬送機構７８が設けられている。そして、この大気側搬送室７６の一端部には、ウエハＷの位置決めを行う位置決め機構８０が設けられると共に、この大気側搬送室７６の横長の一側には、カセット１０を載置することができる複数、図示例では３つのロードポート８２が設けられている。
【００５７】
このように構成された熱処理システムでは、カセット１０内に収容されたウエハＷやモニタウエハＷｍは、大気側搬送機構７８によってシステム内部に取り込まれ、位置決め機構８０にて位置合わせされた後にいずれか一方のロードロック室７４Ａ、或いは７４Ｂを介して共通搬送室６０内に取り込まれる。そして、一部の、或いは全部の熱処理装置３５Ａ〜３５Ｃ内で所定の処理が行われたウエハＷは、上記した経路とは逆の経路を戻って搬出されることになる。
これに対して、いずれかの熱処理装置にて加熱ヒータ調整のための熱処理が行われたモニタウエハＷｍは、真空搬送機構７２によりシート抵抗測定室６２内に搬入され、この中で真空状態が維持されたままでシート抵抗測定装置６４により、図１において説明したようにその表面の例えば４９箇所でシート抵抗が自動的に測定され、その測定値のデータがプロセス条件調整手段４４側へ送られることになる。尚、シート抵抗測定後のモニタウエハＷｍは、処理済み後のウエハＷと同様に、搬入時の経路とは逆の経路を戻って搬出されて行くことになる。
【００５８】
そして、上記シート抵抗のデータを受けたプロセス条件調整手段４４は、該当する熱処理装置の温度制御手段に対して、先に図１を参照して説明したと同様な加熱ヒータの温度調整（制御対象パラメータの調整）を行うことになる。
この熱処理システムによれば、複数の熱処理装置４Ａ〜４Ｃに対して、必要に応じてそれぞれ個別的に制御対象パラメータの調整を行うことができるので、経時変化等が生じても各載置台３２Ａ〜３２Ｃの温度調整を行って目標温度に維持することができ、また載置台３２Ａ〜３２Ｃの温度の面内均一性も高く維持することができ、熱処理の再現性を高めることができる。
【００５９】
また図１２に示す場合には、シート抵抗測定装置６４を共通搬送室６０側に連結してシート抵抗測定操作を真空雰囲気中で行うようにしたが、これに限定されず、図１４に示す第３実施例のように、このシート抵抗測定装置６４を、横長の大気側搬送室７６の他端部側に設けるようにし、シート抵抗測定操作を大気圧雰囲気中で自動的に行うようにしてもよい。尚、上記熱処理システムに具体例は、単に一例を示したに過ぎず、ここで説明したものに限定されないのは勿論である。
【００６０】
また、不純物のイオン注入時のチルト角やツイスト角は前述したものに限定されず、イオン注入によってチャネリングを起こさないような角度ならばどのような値に設定してもよい。
また上記実施例では、ウエハの温度を測定していたが、ウエハの温度を測定しなくても、前回のシート抵抗値と今回のシート抵抗値を比較することで、処理容器内の条件が変化したことは検出することができる。このことにより、経時的変化を検出する場合に、温度モニタ用半導体ウエハのシート抵抗値の変化だけ比較すれば、処理容器内等の変化を検出することができ、このシート抵抗値の変化が所定値以上ならば、インターロックで警報を出すようにしてもよい。
また、加熱手段としてここでは抵抗加熱ヒータを用いた場合を例にとって説明したが、抵抗加熱ヒータに替えて加熱ランプを用いた場合にも同様に適用することができる。また熱処理の対象となる被処理体も、半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板等を熱処理する熱処理装置にも本発明を適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱処理装置、熱処理システム及び熱処理装置の温度測定方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
半導体ウエハに不純物をイオン状態で打ち込んで注入することにより形成された温度モニタ用半導体ウエハは結晶が崩れてアモルファス状態となっており、この温度モニタ用半導体ウエハを所定の温度で熱処理（アニール）することにより再結晶化し、注入された不純物であるドーパント原子が例えばＳｉ原子と置き換わり、活性化状態、すなわち、導電形の組み合わせにもよるが自由電子や正孔ができる。この自由電子や正孔の量は、上記熱処理時の処理温度に依存して決まるので、処理温度の履歴が前記温度モニタ用半導体ウエハに残ることになる。この温度モニタ用半導体ウエハをある程度冷却した後、または自然に冷却するのをまった後に、表面上の所望の単一点または複数点のシート抵抗を測定し、更に、測定したシート抵抗を予め求めておいたシート抵抗と被処理体自体の温度または被処理体を載置する載置台の温度との相関関係に参照させることにより、上記各点の熱処理温度及びこの分布の状況が求めることができる。
従って、リード線のついている熱電対を用いた従来の温度測定方法と異なり、温度モニタ用半導体ウエハ自体を処理容器に対して自動的に搬出入することができるので、例えば前記処理容器が連接可能に設けられているシステム中のロードロック室に連接された処理容器内を大気開放することなく、しかも熱処理装置やウエハ温度が室温程度まで冷却することも待つことなく、短時間で温度モニタ用半導体ウエハの表面のシート抵抗を求めてその熱処理時の温度及びその温度分布を知ることができる。従って、この結果をプロセス条件の設定手段または、調整手段により加熱手段の温度制御手段にフィードバックさせることにより、様々な条件、例えば経時変化が生じたり、熱処理装置の内部構成部品を交換したりして、熱的条件が変化しても、目標とする熱処理時の温度を常に維持したり、新たな所望する熱処理時の温度への変更をしたりすることができるので、温度分布の面内均一性や処理温度の再現性を常に維持することができたり、新たな温度分布でのウエハのプロセスの実行ができる。
また、温度を求めなくても、シート抵抗を比較することで、装置内を大気開放することなく加熱手段の異常を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱処理装置を含む熱処理システムの第１実施例を示す概略構成図である。
【図２】載置台に設けられる加熱手段の一例を示す概略平面図である。
【図３】載置台の他の例を示す断面図である。
【図４】イオン濃度のみを変更して熱処理を行なった時のシート抵抗と加熱ヒータの温度との関係を示すグラフである。
【図５】熱処理条件を同じ条件に設定して多数枚の温度モニタ用半導体ウエハに対して熱処理を施した時の再現性の試験の結果を示すグラフである。
【図６】シート抵抗と加熱ヒータ（載置台）の温度との相関関係の第２例を示すグラフである。
【図７】シート抵抗と加熱ヒータ（載置台）の温度との相関関係の第３例を示すグラフである。
【図８】シート抵抗と加熱ヒータ（載置台）の温度との相関関係の第４例を示すグラフである。
【図９】シート抵抗と加熱ヒータ（載置台）の温度との相関関係の第５例を示すグラフである。
【図１０】モニタウエハのイオン注入時のドーズ種、及びイオン濃度（ドーズ量）を種々変更した時の適用可能な温度範囲を示す図である。
【図１１】モニタウエハを用いて加熱ヒータの調整を行ったプロセスの一例を示す図である。
【図１２】熱処理システムの第２実施例を示す概略平面図である。
【図１３】シート抵抗測定装置を示す概略構成図である。
【図１４】熱処理システムの第３実施例を示す概略平面図である。
【符号の説明】
２  熱処理システム
４，４Ａ〜４Ｃ  熱処理装置
６  ロードロック室
８  カセット室
３０  処理容器
３２，３２Ａ〜３２Ｃ  載置台
３４，３４Ａ〜３４Ｃ、３４Ｄ〜３４Ｆ  加熱ヒータ（加熱手段）
３５  温度制御手段
３６  シャワーヘッド部（ガス供給手段）
４４  プロセス条件調整手段
６０  共通搬送室
６２  シート抵抗測定室
６４  シート抵抗測定装置
６６  モニタ台
６８  ４端子測定ヘッド
７６  大気側搬送室
Ｗ  半導体ウエハ
Ｗｍ  温度モニタ用半導体ウエハ
【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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【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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