(57)【要約】      （修正有）【課題】イオン注入を不要とし温度モニタウェーハの作成に必要な装置を簡易にし低コスト化する。【解決手段】Ｐ型シリコン基板１１上に高濃度のＮ型エピタキシャル成長層１２が形成されており、ウェーハ全体が不純物の外方への拡散を阻止するコーティング膜でコーティングされている温度モニタウェーハ１０を作成する。この温度モニタウェーハ１０を既知の温度で熱処理シート抵抗ＲＳを検出し、シート抵抗値ＲＳとシリコンウェーハの表面の温度との関係を示す温度検量線を求める。つぎに温度測定対象である熱処理炉にて未知の温度を有する熱処理条件で処理を施した温度モニタウェーハ１０のシート抵抗ＲＳを検出する。つぎにこの温度モニタウェーハ１０のシート抵抗検出値に対応する温度を、温度検量線から求めることでシリコンエピタキシャルウェーハの未知の温度を求めることができる。【選択図】図１
2005056986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理炉内で熱処理される半導体ウェーハの温度を測定するに際して、
Ｐ型の不純物が添加された半導体基板上に、Ｎ型の不純物が半導体基板中の不純物濃度よりも高濃度に添加されたエピタキシャル成長層が形成され、かつ全体が不純物の外方への拡散を阻止するコーティング膜でコーティングされた半導体エピタキシャルウェーハを、温度モニタウェーハとして用意し、
温度モニタウェーハを既知の温度で熱処理する工程と、
熱処理後の温度モニタウェーハのシート抵抗を検出する工程と、
温度モニタウェーハのシート抵抗の検出値と熱処理の既知の温度とに基づいて、シート抵抗値と半導体ウェーハの表面の温度との関係を示す温度検量線を求める工程と、
温度測定対象の半導体ウェーハと同一条件で温度モニタウェーハを熱処理する工程と、
温度測定対象の半導体ウェーハと同一条件で熱処理された温度モニタウェーハのシート抵抗を検出する工程と、
温度測定対象の半導体ウェーハと同一条件で熱処理された温度モニタウェーハのシート抵抗値に対応する温度を、温度検量線から求める工程と
を含むことを特徴とする熱処理炉内の半導体ウェーハの表面温度測定方法。
【請求項２】
熱処理炉内で熱処理される半導体ウェーハの温度を測定するために用いられる温度モニタウェーハであって、
前記温度モニタウェーハは、
Ｐ型の不純物が添加された半導体基板上に、Ｎ型の不純物が半導体基板中の不純物濃度よりも高濃度に添加されたエピタキシャル成長層が形成され、かつ全体が不純物の外方への拡散を阻止するコーティング膜でコーティングされた半導体エピタキシャルウェーハであること
を特徴とする温度モニタウェーハ。
【請求項３】
ボロンＢが添加されたシリコン基板上に、リンＰが添加されたエピタキシャル成長層が形成され、かつ全体がシリコン酸化膜でコーティングされた半導体エピタキシャルウェーハであること
を特徴とする請求項２記載の温度モニタウェーハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理炉内の半導体ウェーハの表面温度測定方法およびこの方法に用いられる温度モニタウェーハに関し、特に、エピタキシャル成長炉内で熱処理
が行われるシリコンウェーハの温度を測定する方法およびこの方法に用いられる温度モニタウェーハに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスはシリコンウェーハ上にエピタキシャル成長層の薄膜を形成する工程を経て作製される。
【０００３】
エピタキシャル成長層の薄膜を形成する際には、Ｎ型又はＰ型の導電型を有するシリコンウェーハ基板を準備する。シリコンウェーハ基板に添加される不純物として、たとえば導電型がＰ型の場合にはボロン（Ｂ）が添加され、導電型がＮ型の場合にはリン（Ｐ）又は砒素（Ａs）又はアンチモン（Ｓb）等の不純物が添加される。
【０００４】
このシリコンウェーハ基板をエピタキシャル成長炉に入れ、炉内温度を高温に保った状態で、キャリアガスとして水素（Ｈ２）雰囲気にする。エピタキシャル成長薄膜形成用の原料ガスとして、例えばＳiＨ４  （モノシラン）、ＳiＨ２Ｃｌ２  （ジクロールシラン）、ＳiＨＣｌ３  （トリクロロシラン）、ＳiＣｌ４（四塩化シリコン）などが使用される。エピタキシャル成長層の導電型がＰ型の場合には、ドーピングガスとしてＢ２Ｈ６  （ジボラン）、ＢＣｌ３  （トリクロロボラン）などのボロン（Ｂ）化合物が使用され、エピタキシャル成長層の導電型がＮ型の場合には、ドーピングガスとしてＰＨ３  （フォスフィン）などが使用される。
【０００５】
つぎに所望の膜厚に達するまで高温に保った炉内で、キャリアガス、ドーパントガスとともに放置することによりエピタキシャル成長層の薄膜をシリコンウェーハ基板上に形成することができる。エピタキシャル成長層の抵抗率は、ドーパントガスの濃度を制御して調整する。
【０００６】
エピタキシャル成長装置には、一般的に、枚葉型、縦型（パンケーキ）、シリンダ型などがある。
【０００７】
例えば図２（ａ）はランプ加熱方式の枚葉型エピタキシャル成長装置を示している。同図２（ａ）に示すようにエピタキシャル成長炉（以下適宜チャンバという）４内にはサセプタ６が設けられている。
【０００８】
サセプタ６はウェーハ保持部材であり、加工を終える毎にシリコンウェーハ基板１が１枚ずつ載置される。
【０００９】
チャンバ４の外部には加熱用ランプ５が設けられており、加熱用ランプ５が発光することにより輻射熱がチャンバ４を介してシリコンウェーハ基板１に加えられる。これによりシリコンウェーハ基板１は気相成長に適した成長温度に達する。
【００１０】
チャンバ４のガス導入口から原料ガス、ドーピングガス、キャリアガスからなる成長ガス４１がチャンバ４内に供給され、サセプタ６の上面に沿って流される。サセプタ６を通過した成長ガスがチャンバ４のガス排気口から排気される。
【００１１】
このため原料ガスがシリコンウェーハ基板１上で化学反応し、図２（ｂ）に示すようにシリコンウェーハ基板１の表面に同じシリコンのエピタキシャル層の薄膜２が形成され、シリコンエピタキシャルウェーハ１′が作製される。
【００１２】
ところで近年、半導体デバイスを作成するにあたり、シリコンエピタキシャルウェーハ１′の面内の抵抗率の分布、面内のエピタキシャル成長層２の膜厚の分布の均一性は、より高度のものが求められている。このためウェーハ面内の抵抗率分布、膜厚分布を正確に計測して抵抗率、膜厚を精度よく制御する必要が生じている。
【００１３】
シリコンエピタキシャルウェーハ１′の抵抗率、膜厚の均一性は、気相成長時のウェーハ温度によって大きく影響を受けることは周知のとおりである。したがって抵抗率分布、膜厚分布を正確に制御するにはウェーハの温度を正確に測定する必要がある。
【００１４】
従来よりサセプタ６に熱電対を埋め込み熱電対で検出されたサセプタ６の温度をシリコンエピタキシャルウェーハ１′の温度とみなす測定方法が実施されている。またサセプタ６の温度を赤外線放射温度計で検出しこの検出されたサセプタ６の温度をシリコンエピタキシャルウェーハ１′の温度とみなす測定方法が実施されている。
【００１５】
しかしこれらの測定方法はシリコンエピタキシャルウェーハ１′の温度を間接的に測定する方法に過ぎず実際のウェーハ温度を正確に測定できるものではなかった。
【００１６】
（従来技術１）
下記特許文献１、特許文献２には、以下のような温度測定方法が記載されている。すなわち、イオン注入法により、イオン化された不純物をシリコンウェーハの表面から設定深さに注入して温度モニタウェーハを作成する。つぎに、この温度モニタウェーハを既知の温度で熱処理することによってイオン化された不純物を設定深さから拡散させる。つぎに熱処理後の温度モニタウェーハのシート抵抗値を検出し、このシート抵抗値と既知の温度とに基づき、シート抵抗値とウェーハ表面温度との関係を示す温度検量線を求める。つぎに温度測定対象のシリコンウェーハを熱処理する。つぎに熱処理後の温度測定対象ウェーハのシート抵抗値を検出する。つぎに、検出されたシート抵抗値に対応するウェーハ表面温度値を、温度検量線から求める。
【特許文献１】特開平３−１４２９４８号公報
【特許文献２】特開２０００−４０６６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記従来技術１の温度モニタウェーハはイオン注入法によって作成されるため、温度検量線を正確に求めるために、つぎの点を考慮しなければならない。しかし、それぞれについて解決すべき問題点がある。
【００１８】
ａ）イオンの入射エネルギー、イオン種、シリコン基板の面方位と入射角の状態を制御する必要    がある。
【００１９】
すなわちイオン注入法は、高エネルギーで加速したイオンをシリコン基板に打ち込み、シリコン原子に衝突させて停止させるという方法であり、その打ち込み飛距離（深さ）は、イオンの入射エネルギー、イオン種、シリコン基板の面方位と入射角の状態によって決定される。このため設定深さ制御のためには、これらパラメータを制御する必要がある。
【００２０】
しかしながらこれらパラメータを正確に制御するには、イオン注入装置の構成が複雑化し高コストとなるという問題がある。
【００２１】
ｂ）入射されるイオンを設定深さに制御する必要がある。
【００２２】
すなわち入射されたイオンはシリコン基板内のシリコン格子のシリコン原子に衝突しながら設定深さに達し入射エネルギーを消費した段階で停止する。このため衝突回数によって設定深さよりも手前の深さでイオンが停止したり設定深さを超えた深さにイオンに到達することがある。したがってイオンが打ち込まれる深さの精度を高めるためには、シリコン基板の結晶軸のバラツキを抑える必要がある。
【００２３】
イオン注入は一律に設定された入射エネルギーで行うため、シリコン原子への衝突回数如何によっては入射深さのバラツキが生じることは避けられない。また入射深さのバラツキはシリコン基板の加工公差にも左右される。またイオン注入を行ったシリコン基板の表層は入射されたイオン（不純物）とシリコン基板に既存の不純物が混在しており、シリコン基板表層は結晶的に非常に不安定なものとなってしまう。これらのことにより、入射されるイオンを正確に設定深さに打ち込むことは困難である。このため温度モニタウェーハに基づき温度検量線を正確に求めることができなくなるおそれがある。
【００２４】
ｃ）イオン注入により崩れた結晶性を回復させる必要がある。
【００２５】
すなわち入射されたイオンが衝突したシリコン格子は、結晶性を崩し非晶質領域（欠陥）を形成する。この非晶質領域の結晶性を回復させるためにはアニールの追加が必要となり追加アニールのための処理工程が増え温度モニタウェーハ作成の作業効率が損なわれる。
【００２６】
ｄ）イオンの活性化率を１００％にする必要がある。
【００２７】
すなわち入射されたイオンは、そのままでは電子キャリアとして有用なものではなく、電子キャリアとして有用なものとするには高温アニールを追加して行い活性化率を１００％にする必要がある。このため追加アニールのための処理工程が増え温度モニタウェーハ作成の作業効率が損なわれる。
【００２８】
また活性化率が１００％よりも低くなった場合には、温度モニタウェーハを熱処理する過程でイオンの活性化が促進されるため、温度モニタウェーハの電気的特性は、不純物の拡散以外に活性化率の変化の影響を受ける。このため温度検量線を正確に求めることができなくなるおそれがある。
【００２９】
以上のように従来技術１の測定方法は、制御装置が複雑化し高コストを招来し、追加アニール等の工程を要し温度モニタウェーハ作成の作業効率が低下し、シリコン基板の加工公差や入射イオンの活性化率によって温度検量線の精度が影響を受け正確な検量線を求めることができなくなるおそれがあった。本発明はこれら問題を解決すべくなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
第１発明は、
熱処理炉内で熱処理される半導体ウェーハの温度を測定するに際して、
Ｐ型の不純物が添加された半導体基板上に、Ｎ型の不純物が半導体基板中の不純物濃度よりも高濃度に添加されたエピタキシャル成長層が形成され、かつ全体が不純物の外方への拡散を阻止するコーティング膜でコーティングされた半導体エピタキシャルウェーハを、温度モニタウェーハとして用意し、
温度モニタウェーハを既知の温度で熱処理する工程と、
熱処理後の温度モニタウェーハのシート抵抗を検出する工程と、
温度モニタウェーハのシート抵抗の検出値と熱処理の既知の温度とに基づいて、シート抵抗値と半導体ウェーハの表面の温度との関係を示す温度検量線を求める工程と、
温度測定対象の半導体ウェーハと同一条件で温度モニタウェーハを熱処理する工程と、
温度測定対象の半導体ウェーハと同一条件で熱処理された温度モニタウェーハのシート抵抗を検出する工程と、
温度測定対象の半導体ウェーハと同一条件で熱処理された温度モニタウェーハのシート抵抗値に対応する温度を、温度検量線から求める工程と
を含むことを特徴とする。
【００３１】
第２発明は、
熱処理炉内で熱処理される半導体ウェーハの温度を測定するために用いられる温度モニタウェーハであって、
前記温度モニタウェーハは、
Ｐ型の不純物が添加された半導体基板上に、Ｎ型の不純物が半導体基板中の不純物濃度よりも高濃度に添加されたエピタキシャル成長層が形成され、かつ全体が不純物の外方への拡散を阻止するコーティング膜でコーティングされた半導体エピタキシャルウェーハであること
を特徴とする。
【００３２】
第３発明は、第２発明において、
ボロンＢが添加されたシリコン基板上に、リンＰが添加されたエピタキシャル成長層が形成され、かつ全体がシリコン酸化膜でコーティングされた半導体エピタキシャルウェーハであること
を特徴とする。
【００３３】
温度モニタウェーハ１０の理想モデルによれば、温度モニタウェーハ１０中の不純物の総量が熱処理の前後で一定であり、不純物の拡散はウェーハの深さ方向のみに行われる（固層拡散）。この理想モデル通りの挙動を温度モニタウェーハ１０が示せば、熱処理後のシート抵抗ＲＳを検出することで、温度モニタウェーハ１０に施された熱処理の温度（あるいは熱処理の時間ｔ）を検定することができる。
【００３４】
温度モニタウェーハ１０が理想モデルとおりの挙動を示すために必要な条件は以下の通りである。
【００３５】
すなわち、不純物が温度モニタウェーハ１０の外方に拡散することを阻止し固層拡散のみを行うように、温度モニタウェーハ１０の全体を酸化膜１３等のコーティング膜でコーティングする。
【００３６】
また温度モニタウェーハ１０内の不純物の総量を一定に保つために、酸化膜１３へ不純物が透過、吸収されないＮ型の不純物（リンＰ）をエピタキシャル成長層１２に添加することが必要である（図６（ａ）、（ｂ））。
【００３７】
また不純物を深さ方向へスムーズに拡散させるために、エピタキシャル成長層１２における不純物濃度を、シリコン基板１１における不純物濃度よりも大きくし、かつエピタキシャル成長膜厚を薄膜化する。
【００３８】
以上のように温度モニタウェーハ１０は、シリコン基板１１にＰ型の不純物が添加されており、エピタキシャル成長層１２に、シリコン基板１１中の不純物濃度よりも高濃度のＮ型不純物が添加されており、ウェーハ全体が不純物の外方への拡散を阻止するコーティング膜１３でコーティングされていることが必要である。
【００３９】
以上のような理想モデルの挙動を再現できる温度モニタウェーハ１０を作成し
用意して、この温度モニタウェーハ１０を少なくとも３種類の温度で熱処理を行う。この際、実際のエピタキシャル成長を行う温度域を中心に５０〜１００゜Ｃの巾をもって熱処理することが望ましい。
【００４０】
つぎに熱処理後の温度モニタウェーハ１０のシート抵抗ＲＳを検出する（図９）。
【００４１】
シート抵抗ＲＳの検出結果から、温度モニタウェーハ１０のシート抵抗の検出値と熱処理の既知の温度とに基づいて、シート抵抗値ＲＳとシリコンウェーハの温度との関係を示す温度検量線５１が図１３のように求められる。
【００４２】
温度測定対象となるシリコンウェーハ１１の温度は以下のように測定することができる。
【００４３】
図２に示したエピタキシャル成長炉（チャンバ）４内のシリコンウェーハ基板１の代わりに検量線作成時に用いた温度モニタウェーハと同一スペックにおいて作製した温度モニタウェーハを装填し、温度測定対象となるシリコンウェーハと同一条件にて熱処理を行う。
【００４４】
つぎに熱処理後の温度モニタウェーハ１０のシート抵抗ＲＳを検出する。つぎに当該温度モニタウェーハ１０のシート抵抗ＲＳに対応する温度を図１３の温度検量線５１より求める。
【００４５】
以上が第１発明の内容である。
【００４６】
第２発明は、上述した第１発明の方法に用いられる温度モニタウェーハ１０の構造に関する発明である。
【００４７】
第３発明は、上記第２発明のＰ型不純物をボロンＢに、Ｎ型不純物をリンＰに限定した発明である。
【効果】
【００４８】
本発明を従来技術１と比較したときの効果は以下のとおりである。
【００４９】
本発明によれば、温度モニタウェーハ１０を作成する際にイオンを注入する必要がないのでイオン注入制御装置の設備を要しない。既存の熱処理炉を利用して作成することができる。このため装置を簡易にでき低コストで温度モニタウェーハ１０を作成することができる。
【００５０】
また温度モニタウェーハ１０のエピタキシャル成長層１２はイオン注入で作製した温度モニタウェーハの活性化率１００％に該当する。このため活性化率を１００％にするための追加アニール等の工程を要しない。この結果、工程が削減され温度モニタウェーハ作成の作業効率が向上する。
【００５１】
またシリコン基板１１の加工公差如何によって温度検量線の精度が影響を受けることがなく、温度検量線を正確に求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下図面を参照して本発明に係る熱処理炉内の半導体ウェーハの表面温度測定方法およびこの方法に用いられる温度モニタウェーハの実施の形態について説明する。
【００５３】
図２（ａ）は温度測定対象であるシリコンエピタキシャルウェーハ１′が作成されるエピタキシャル成長装置の１機種であるランプ加熱方式の枚葉型炉を示している。また図２（ｂ）は温度測定対象であるシリコンエピタキシャルウェーハ１′を示している。
【００５４】
エピタキシャル成長炉であるチャンバ４内にはサセプタ６が設けられている。
【００５５】
サセプタ６はウェーハ保持部材であり、加工を終える毎にシリコンウェーハ基板１が１枚ずつ載置される。
【００５６】
チャンバ４の外部には加熱用ランプ５が設けられており、加熱用ランプ５が発光することにより輻射熱がチャンバ４を介してシリコンウェーハ基板１に加えられる。これによりシリコンウェーハ基板１は気相成長に適した成長温度に達する。
【００５７】
チャンバ４のガス導入口から原料ガス、ドーピングガス、キャリアガスからなる成長ガス４１がチャンバ４内に供給され、サセプタ６の上面に沿って流される。サセプタ６を通過した成長ガスがチャンバ４のガス排気口から排気される。
【００５８】
このため原料ガスがシリコンウェーハ基板１上で化学反応し、図２（ｂ）に示すようにシリコンウェーハ基板１の表面に同じシリコンのエピタキシャル成長層の薄膜２が形成され、シリコンエピタキシャルウェーハ１′が作製される。
【００５９】
シリコンエピタキシャルウェーハ１′の面内の抵抗率の分布、および面内膜厚の分布が精密なエピタキシャル層を作成するためには、シリコンエピタキシャルウェーハ１′の面内の温度を正確に測定、制御する必要がある。
【００６０】
シリコンエピタキシャルウェーハ１′の面内の温度は、後述する温度検量線５１から求められる。温度検量線５１は温度モニタウェーハ１０を熱処理した結果から求められる。
【００６１】
温度検量線５１を正確に求めるためには温度モニタウェーハ１０が以下に説明する理想モデル通りの挙動を示すことが必要である。
【００６２】
（温度モニタウェーハの理想モデル）
図１は実施形態の温度モニタウェーハ１０の構造を示している。
【００６３】
温度モニタウェーハ１０は、Ｐ型の不純物（ボロンＢ）が添加されたシリコン基板１１上に、Ｎ型の不純物（リンＰ）がシリコン基板１１中の不純物濃度よりも高濃度に添加されたエピタキシャル成長層１２が形成され、かつ全体が酸化膜（シリコン酸化膜；ＳiＯ２）１３でコーティングされたシリコンエピタキシャルウェーハである。
【００６４】
一般的にシリコンウェーハ内の「不純物の総量が一定」であり、かつエピタキシャル成長層１２内の不純物の熱拡散が「ある一方向のみへ行われる」（ウェーハの深さＸの方向のみへ行われる）と考えた場合、深さＸと濃度Ｎ/Ｎ0との関係は図３のように表され、ガウス分布を呈する。Ｄを拡散係数としｔを熱処理時間とすると√（Ｄｔ）の変化に応じて、深さ方向への不純物濃度分布が変化する。
【００６５】
下記（１）式は、不純物濃度Ｎと、時間ｔ、ウェーハ深さＸ、拡散係数Ｄとの関係を示している。不純物濃度Ｎは√（Ｄｔ）の関数で表される。
【００６６】
【数１】
2005056986.tif 000003
【００６７】
図４（ａ）、（ｂ）は温度モニタウェーハ１０内で不純物が拡散される様子を示している。図４（ａ）は熱処理前のＰ型不純物層とＮ型不純物層の境界を示し、図４（ｂ）は熱処理後のＰ/Ｎ不純物層の境界の変動を示している。熱処理前のＰ型不純物層とＮ型不純物層の境界の位置Ｘjは、エピタキシャル成長層１２とシリコン基板１１との境界位置に相当する深さＸにある。温度モニタウェーハ１０に熱処理を施すことでＮ型不純物はウェーハの深さ方向に固層拡散し、Ｐ型不純物層とＮ型不純物層の境界の位置Ｘjは深さＸ＋Ａに達する。
【００６８】
図５（ａ）、（ｂ）は図４（ａ）、（ｂ）それぞれに対応させて、深さＸとＮ型不純物濃度との関係を示している。
【００６９】
熱処理を施すことでＮ型不純物の濃度プロファイルが破線から実線へと変化し、Ｐ/Ｎジャンクション位置Ｘjは深さＸからより深い位置Ｘ＋Ａに移動する。
【００７０】
図５に示すＮ型不純物の濃度プロファイルとシート抵抗ＲＳは、濃度プロファイル中のＰ/Ｎジャンクション位置（深さ）Ｘjと温度モニタウェーハ１０の最表面濃度で決定される面積によって決定される特性をもつ。このためシート抵抗ＲＳの変動を計測すればＮ型不純物濃度の深さ方向のプロファイルの変化を知ることができる。
【００７１】
ここでシート抵抗ＲＳとは、抵抗の次元をもつエピタキシャルシリコンウェーハの評価指数であり、シート抵抗値が低いほど不純物濃度が高くなるという関係を示す。
【００７２】
一般にシート抵抗ＲＳとウェーハの平均面抵抗率ρとの関係は下記（２）式に示され、シート抵抗ＲＳは、Ｐ/Ｎジャンクション位置Ｘjが大きくなるほど（深くなるほど）、小さくなる。
【００７３】
【数２】
2005056986.tif 000004
【００７４】
さらにＰ/Ｎジャンクション位置Ｘjは、添加された不純物に固有の拡散係数Ｄ、熱処理時間ｔに依存し、下記（３）式で表される。
【００７５】
【数３】
2005056986.tif 000005
【００７６】
拡散係数Ｄは、絶対温度Ｔと相関関係にあり下記（４）式で表される。ただしＤ0は拡散係数Ｄの理想値であり、Δεは活性化エネルギーであり、Ｒは気体定数である。
【００７７】
【数４】
2005056986.tif 000006
【００７８】
これら（２）〜（４）式をまとめると次式（５）が得られ、シート抵抗ＲＳは絶対温度Ｔと熱処理時間ｔの関数であることがわかる。
【００７９】
【数５】
2005056986.tif 000007
【００８０】
以上のことから温度モニタウェーハ１０中のＮ型不純物の総量が熱処理の前後で一定であり（平均面内抵抗率ρが一定であり）、Ｎ型不純物の拡散はウェーハの深さ方向のみに行われる（固層拡散）のであれば、シート抵抗ＲＳを得ることで、温度モニタウェーハ１０に施された熱処理の温度（あるいは熱処理の時間ｔ）を検定できることがわかる。
【００８１】
以上が温度モニタウェーハ１０の理想モデルである。
【００８２】
つぎに上述した理想モデルを成立させるために必要な条件について検討を加える。
【００８３】
（外方向への不純物の拡散を防ぐためのコーティング膜）
理想モデルを成立させるためには、不純物の拡散はウェーハの深さ方向のみに行われること（固層拡散に限定された拡散が行われること）が必要である。逆に、不純物が温度モニタウェーハ１０の外方に拡散することを阻止する必要がある。
【００８４】
このために本実施形態では、温度モニタウェーハ１０の全体を酸化膜１３（シリコン酸化膜）でコーティングすることで対処するようにしている。
【００８５】
酸化膜１３でウェーハ全体をコーティングすることで不純物の外方への拡散が阻止される。本実施形態では酸化膜を想定しているが、不純物の外方への拡散を阻止でき固層拡散のみ行うことができるコーティング膜であればよく、窒化膜（シリコン窒化膜）などを使用する実施も可能である。ただし、それ自体がドーパントになり得るもの、たとえばアルミナ等の重金属を含んだコーティング膜は使用不可である。
【００８６】
（不純物の総量を一定にするためのＮ型不純物）
図６（ａ）は、温度モニタウェーハ１０のエピタキシャル成長層１２にＰ型の不純物であるボロンＢを添加した場合の深さＸと不純物濃度との関係を示す。また図６（ｂ）は、温度モニタウェーハ１０のエピタキシャル成長層１２にＮ型の不純物であるリンＰを添加した場合の深さＸと不純物濃度との関係を示す。
【００８７】
図６（ａ）、（ｂ）において破線で囲んだ部分は、酸化膜１３近傍での偏析曲線を示している。
【００８８】
一般に、ボロンＢは、酸化膜１３との界面で酸化膜１３に吸収されウェーハ表面の不純物濃度が低下する。逆に、リンＰは酸化膜１３との界面で酸化膜１３に吸収、透過し難く、酸化膜１３との界面でウェーハ表面の不純物濃度が上昇するパイロアップ現象を示しており、不純物の酸化膜１３への移動は発生しない。したがってエピタキシャル成長層１２に添加すべき不純物としてはＮ型のリンＰが望ましく、Ｎ型のリンＰを使用すればウェーハ内の不純物総量は低下しない。
【００８９】
以上のことから本実施形態の温度モニタウェーハ１０では、エピタキシャル成長層１２内に添加すべき不純物としてＮ型（リンＰ）を使用するようにしている。
【００９０】
（深さ方向へ拡散させるための濃度差、薄膜の厚さ）
エピタキシャル成長層１２から深さ方向に熱拡散が行われるためには、エピタキシャル成長層１２における不純物濃度が、シリコン基板１１における不純物濃度よりも大きいことが必要である。更に不純物の拡散をスムーズに行うためには、これらの濃度差をできる限り大きくすることが望ましい。このためシリコン基板１１のＰ型不純物の濃度は一般的にＰ−（Ｐマイナス）と呼ばれる低濃度であって、エピタキシャル成長層１２のＮ型不純物の濃度はヘビードープと呼ばれる高濃度であることが望ましい。
【００９１】
更に熱処理時にＮ型不純物の深さ方向への移動を励起するために、Ｎ型不純物が初期に存在しているエピタキシャル成長層１２は、できる限り薄いことが望ましい。
【００９２】
したがって温度モニタウェーハ１０が理想モデルとおりの挙動を実現するための条件は、シリコン基板１１にＰ型の不純物が添加されており、エピタキシャル成長層１２に、シリコン基板１１中の不純物濃度よりも高濃度のＮ型不純物が添加されており、ウェーハ全体が不純物の外方への拡散を阻止するコーティング膜でコーティングされていることが必要である。
【００９３】
以上のような理想モデルの挙動を再現できる温度モニタウェーハ１０を作成して温度検量線を求めた。以下説明する。
【００９４】
（実施例の温度モニタウェーハ）
上述した理想モデルとおりの挙動を実現するための温度モニタウェーハ１０の作成例は以下のとおりである。
【００９５】
すなわち、Ｐ−  のボロンＢを添加してシリコンウェーハ基板１１を作成した。ボロンＢは、結晶方位＜１００＞で抵抗率が２５〜４０Ωｃｍとなるように添加した。
【００９６】
シリコン基板１１上に、ヘビードープのリンＰを添加したシリコンエピタキシャル成長層１２を形成した。このときのエピタキシャル成長層中のリンＰの濃度は５Ｅ１６atoms/ccであり、抵抗率は０．０２Ωｃｍとした。このときのエピタキシャル成長膜厚は０．９μｍでシート抵抗ＲＳは３８０Ω/□となった。
【００９７】
つぎにウェーハ全体に膜厚２０００Åの酸化膜１３をコーティングした。
【００９８】
（温度モニタウェーハの熱処理条件）
図７は、求めるべき温度検量線５１を示している。横軸は熱処理温度でありウェーハの温度に対応している。縦軸はシート抵抗ＲＳである。
【００９９】
図７に示す温度検量線５１は、後述する既知でかつ安定した数種の温度で温度モニタウェーハ１０を熱処理し、熱処理後のシート抵抗ＲＳと上記既知の温度とに基づいて求められる。図７に示す温度検量線５１を得ることができれば、矢印に示すように、測定対象のシリコンエピタキシャルウェーハ１′について測定したシート抵抗値に対応するウェーハ面内の未知の温度を、求めることができる。
【０１００】
温度モニタウェーハ１０に熱処理を施す際には、炉内の温度が既知であり、かつトレーサビリティが確保されている炉内で行うことが望ましい。実施形態では、炉内の温度が既知であり炉内温度をウェーハ温度とみなすことができる「拡散炉」を用いた。
【０１０１】
図８は温度モニタウェーハ１０に施される熱処理の各レシピと、各レシピ内容を示す処理条件を表にて示す。
【０１０２】
表において「熱処理１」とは１１００゜Ｃで２時間熱処理を行うというレシピである。「熱処理２」とは１１００゜Ｃで４時間熱処理を行うというレシピであり、「熱処理３」とは１１００゜Ｃで６時間熱処理を行うというレシピである。
【０１０３】
また「熱処理４」とは１０００゜Ｃで１６時間熱処理を行うというレシピである。「熱処理５」とは１０００゜Ｃで３２時間熱処理を行うというレシピである。
【０１０４】
温度検量線５１の作成には、少なくとも３種類以上の温度で熱処理したデータの取得が望ましい。
【０１０５】
しかし上記図８の表に示すように、２種類の温度で処理時間を変えた各条件で熱処理を行うことでも、温度検量線５１を正確に作成することができる。
【０１０６】
（温度モニタウェーハの拡散炉内での熱処理）
温度モニタウェーハ１０を図８に示す各処理条件で熱処理した。
【０１０７】
温度モニタウェーハ１０を実験用の拡散炉で熱処理した。
【０１０８】
実験用の拡散炉には、エピタキシャル成長炉４と異なり、校正用の熱電対が設けられており炉の中の温度が確定している。そして拡散炉では、熱電対によって計測される炉内雰囲気温度と炉内の温度モニタウェーハ１０の表面の温度は一致していると考えられる。
【０１０９】
（拡散炉での熱処理後の温度モニタウェーハについてシート抵抗値の測定）
拡散炉で温度モニタウェーハ１０を熱処理した後に、温度モニタウェーハ１０のシート抵抗ＲＳを測定した。シート抵抗ＲＳの測定は、四探針測定器で行った。
【０１１０】
図９は各処理水準ウェーハ毎のシート抵抗値の測定結果を示す。
【０１１１】
各熱処理条件において複数枚の温度モニタウェーハ１０を熱処理し、各条件毎の平均値をとった。
【０１１２】
（温度検量線の作成）
熱処理の結果、温度モニタウェーハ１０が「熱処理の前後でＮ型不純物の総量が一定でありＮ型不純物の熱拡散はウェーハ深さ方向のみに進行し、シート抵抗Ｒは時間と温度の関数となる」という理想モデル論の挙動を示せば、
ａ）熱処理時間ｔに比例してシート抵抗ＲＳが低下する。
【０１１３】
ｂ）熱処理温度に比例してシート抵抗ＲＳが低下する。
【０１１４】
ということが確認されるはずである。
【０１１５】
図１０をみると上記ａ）、ｂ）のとおりであることがわかり、実際の温度モニタウェーハ１０の不純物の挙動は理想モデル論とおりであることがわかる。
【０１１６】
図１０は図９の表をグラフで示したものである。図１０のグラフの横軸は熱処理時間ｔであり、縦軸はシート抵抗ＲＳである。
【０１１７】
図１０では、熱処理１の結果から得られた特性を２１として示し、熱処理２の結果から得られた特性を２２として示す。いずれの特性２１、２２についても熱処理時間ｔに比例してシート抵抗ＲＳが低下しているのがわかる。また特性２１（１１００゜Ｃ）と特性２２（１０００゜Ｃ）とを対比すると、熱処理温度に比例してシート抵抗ＲＳが低下していることがわかる。つまり図１０のグラフからも上記ａ）、ｂ）が成立し実際の温度モニタウェーハ１０におけるＮ型不純物の挙動が理想モデル論通りであることが確認された。
【０１１８】
図１０のグラフに基づいて温度検量線５１が以下のようにして作成される。
【０１１９】
理想モデル論によれば、拡散係数Ｄは絶対温度Ｔの関数であり、Ｐ/Ｎジャンクション位置Ｘjは拡散係数Ｄと時間ｔとの関数（Ｘj〜√（Ｄｔ））である。このことを利用して３種類以上の温度で熱処理を行ったのと同様にして温度検量線５１を求めることができた。
【０１２０】
まず、熱処理１について得られた特性２１の近似式を求める。
【０１２１】
ＲＳ＝−４０．６２０Ｌｎ（ｔ）＋７０９．０３  …（６）
同様にして、熱処理２について得られた特性２２の近似式を求める。
【０１２２】
ＲＳ＝−５７．５４８Ｌｎ（ｔ）＋１０１３．５０  …（７）
つぎに上記各近似式のパラメータである熱処理時間ｔに共通の値を代入して、近似ＲＳ値を求める。たとえば処理時間を時間１２０分（７２００ｓｅｃ）と仮定し、この仮定処理時間を共通の値として上記（６）、（７）式それぞれに代入する。これにより（６）式の場合には、１１００゜Ｃにおける近似ＲＳ値（ｔ＝１２０分）が求められる。また（７）式の場合の場合には、１０００゜Ｃにおける近似ＲＳ値（ｔ＝１２０分）が求められる。
【０１２３】
この結果を図１１に特性３１として示す。熱処理時間ｔは共通の値（１２０分）であるので、熱処理時間ｔの項を省略した熱処理温度とシート抵抗ＲＳとの関係を得ることがでできる。
【０１２４】
図１１に示す特性３１の近似式は、横軸をｘ（温度）とし縦軸をｙ（シート抵抗ＲＳ）として下記（８）式で表すことができる。
【０１２５】
ｙ＝−１．５４１２ｘ＋２０４３．６（ｔ＝１２０分時）  …（８）
上記（８）式に温度８００゜Ｃ〜１２５０゜Ｃの範囲の各温度を代入してプロットした特性４１を図１２に示す。
【０１２６】
また上記（６）、（７）式に１２０分とは別の共通の仮定処理時間６０分（３６００ｓｅｃ）を代入して同様にして求めた特性４２を図１２に併せて示す。
【０１２７】
その近似式は、下記（９）式のように表される。
【０１２８】
ｙ＝−１．６５８５ｘ＋２２００．８（ｔ＝６０分時）  …（９）
図１２において特性４１が１２０分熱処理を施したときの温度検量線（熱処理温度とシート抵抗ＲＳとの関係）であり、特性４２が６０分熱処理を施したときの温度検量線（熱処理温度とシート抵抗ＲＳとの関係）である。
【０１２９】
つぎに上述のごとく求めた２つの異なる温度検量線４１、４２を平均化して温度検量線５１が作成される。
【０１３０】
理想モデル論によれば、シート抵抗ＲＳは絶対温度Ｔと時間ｔとの関数であることがわかっている。この仮定にあてはめれば熱処理温度を一定にした場合には、温度検量線は熱処理時間ｔのみの関数となり、各特性４１、４２は平行線となるはずである。
【０１３１】
図１２にプロットされた近似式４１、４２に示すように、実際のエピタキシャル成長のプロセスで主に使用される１０００゜Ｃ〜１２５０゜Ｃの温度領域においては、ほぼ同一線上にプロットされていることがわかる。このことから実際のエピタキシャル成長のプロセスで主に使用される温度領域では、シート抵抗ＲＳの値を変動させるパラメータ（温度、時間）の影響度は、時間ｔに比べて温度パラメータの方がはるかに大きい（時間ｔの影響＜＜温度の影響）と見積もることができる。
【０１３２】
したがって上記（８）式と上記（９）式に示される各近似式の傾きと切片をそれぞれ平均化することで、エピタキシャル成長のプロセスで主に使用される温度領域における温度検量線５１を、下記（１０）式のごとく求めることができる。
【０１３３】
ｙ＝−１．６０＊ｘ＋２１２２．２  …（１０）
上記（１０）式の温度検量線５１を図１３に示す。
【０１３４】
以上のようにして温度検量線５１が求められると、つぎのような各工程を経て温度測定対象のシリコンエピタキシャルウェーハ１′の表面温度を測定することができる。
【０１３５】
・温度モニタウェーハ１０を図２（ａ）に示す実際のエピタキシャル成長炉４（チャンバ４）内で熱処理する。
【０１３６】
・熱処理後の温度モニタウェーハ１０のシート抵抗ＲＳを検出する。
【０１３７】
・温度モニタウェーハ１０のシート抵抗検出値に対応する温度を、図１３の温度検量線５１から求める。この温度検量線５１から求められた温度は、エピタキシャル成長炉４（チャンバ４）内に載置され熱処理が行われたシリコン基板１の温度を示している。
【０１３８】
（拡散炉での熱処理後の温度モニタウェーハの濃度プロファイルの確認）
拡散炉で熱処理した後の温度モニタウェーハ１０が、理想モデル論とおりの濃度プロファイルを描くかどうかについて確認を行った。
【０１３９】
図１４は熱処理後のＮ型不純物の濃度プロファイルを示しており、図５（ｂ）に対応している。図１４は図８の各レシピ毎の温度モニタウェーハ１０の濃度プロファイルを示している。図１４において特性６１は基準となる熱処理前の温度モニタウェーハ１０の濃度プロファイルを示し、特性６２は熱処理１のレシピで熱処理後の温度モニタウェーハ１０の濃度プロファイルを示し、特性６３は熱処理２のレシピで熱処理後の温度モニタウェーハ１０の濃度プロファイルを示し、特性６４は熱処理３のレシピで熱処理後の温度モニタウェーハ１０の濃度プロファイルを示し、特性６５は熱処理４のレシピで熱処理後の温度モニタウェーハ１０の濃度プロファイルを示し、特性６６は熱処理５のレシピで熱処理後の温度モニタウェーハ１０の濃度プロファイルを示している。
【０１４０】
図１４から、熱処理温度の上昇に伴いＰ/Ｎジャンクション位置Ｘjが深い位置に移行し、熱処理時間ｔの増加に伴いＰ/Ｎジャンクション位置Ｘjが深い位置に移行しており、理想モデル論とおりの挙動を示していることがわかる。
【０１４１】
以上説明した本実施形態によれば、従来技術１と比較したとき以下のような効果を奏効する。
【０１４２】
すなわち温度モニタウェーハ１０を作成する際にイオンを注入する必要がないのでイオン注入制御装置の設備を要しない。既存の熱処理炉を用いて作成することができる。このため装置を簡易にでき低コストで温度モニタウェーハ１０を作成することができる。
【０１４３】
また温度モニタウェーハ１０のエピタキシャル成長層１２は、イオン注入により作成された温度モニタウェーハの活性化率１００％に該当する。このため活性化率を１００％にするための追加アニール等の工程を要しない。この結果、工程が削減され温度モニタウェーハ作成の作業効率が向上する。
【０１４４】
またシリコン基板１１の加工公差如何によって温度検量線の精度が影響を受けることがなく、温度検量線を正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】図１は温度モニタウェーハの構造を示す図である。
【図２】図２（ａ）は、温度測定対象であるシリコンエピタキシャルウェーハが作成されるランプ加熱方式の枚葉型エピタキシャル成長装置を示す図で、図２（ｂ）は、温度測定対象であるシリコンエピタキシャルウェーハ１′の構造を示す図である。
【図３】図３は深さＸと濃度Ｎ/Ｎ0との関係を示す図で、√（Ｄｔ）を変化させるに応じて不純物濃度分布が変化する様子を示す図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は温度モニタウェーハ内で不純物が拡散される様子を示す図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は図４（ａ）、（ｂ）それぞれに対応させて、深さＸ方向にＰ型不純物が拡散された際のＰ/Ｎジャンクションの変化の様子を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、温度モニタウェーハのエピタキシャル成長層にＰ型の不純物であるボロンＢを添加した場合の酸化膜コーティング近傍でのＰ型不純物（ボロンＢ）の濃度の挙動（ボロンＢ偏析曲線）を示す図で、図６（ｂ）は、温度モニタウェーハのエピタキシャル成長層にＮ型の不純物であるリンＰを添加した場合の酸化膜コーティング近傍でのＮ型不純物（リンＰ）の濃度の挙動（リンＰ偏析曲線）を示す図である。
【図７】図７は、温度検量線を示す図である。
【図８】図８は温度モニタウェーハの熱処理条件を表にて示す図である。
【図９】図９は、図８における熱処理条件で熱処理後の温度モニタウェーハの面内のシート抵抗値の平均値を示す表である。
【図１０】図１０は図９の表をグラフとして示した図である。
【図１１】図１１は熱処理時間の項を省略した熱処理温度とシート抵抗との関係を示す図である。
【図１２】図１２は図１１の結果から求められた各熱処理時間毎の温度検量線を示す図である。
【図１３】図１３は図１２の結果から求められた熱処理時間によらない温度検量線を示す図である。
【図１４】図１４は図８における熱処理条件で熱処理後の温度モニタウェーハ１０内におけるＮ型不純物の濃度プロファイルを示す図である。
【符号の説明】
【０１４６】
１′  シリコンエピタキシャルウェーハ
４    エピタキシャル成長炉（チャンバ）
１０  温度モニタウェーハ
１１  シリコン基板
１２  エピタキシャル成長層
１３  酸化膜
【図１】
2005056986.tif 000008
【図２】
2005056986.tif 000009
【図３】
2005056986.tif 000010
【図４】
2005056986.tif 000011
【図５】
2005056986.tif 000012
【図６】
2005056986.tif 000013
【図７】
2005056986.tif 000014
【図８】
2005056986.tif 000015
【図９】
2005056986.tif 000016
【図１０】
2005056986.tif 000017
【図１１】
2005056986.tif 000018
【図１２】
2005056986.tif 000019
【図１３】
2005056986.tif 000020
【図１４】
2005056986.tif 000021