(57)【要約】【課題】  ランプ加熱を用いる短時間熱処理における半導体基板の面内温度の均一性を向上することができる温度調整方法、基板の熱処理方法及び熱処理装置を提供することを目的とする。。【解決手段】  まず、基板の各温度測定位置において、熱処理により形成される酸化膜厚と熱処理設定温度とを対応づけた校正データを取得する。次いで、特定の熱処理設定温度にて熱処理を行った基板の各温度測定位置において、基板上に形成された酸化膜の膜厚を計測する。そして、上記校正データから、計測した酸化膜厚に対応する熱処理設定温度Ｔ、及び前記特定の熱処理設定温度にて得られるべき酸化膜厚に対応する熱処理設定温度Ｔｍ’を取得し、これらの温度差に基づいて各温度プローブの温度補正値を求める。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一基板の複数の位置において計測された温度に基づいて温度制御を行い、前記基板の熱処理を行う熱処理裝置に適用される熱処理温度の調整方法であって、
前記熱処理に応じて変動する物理量と熱処理設定温度とを対応づけた校正データを取得するステップと、
特定の熱処理設定温度にて熱処理を行った基板の前記各温度測定位置における前記物理量を計測するステップと、
前記校正データから、前記計測した物理量に対応する熱処理設定温度、及び前記特定の熱処理設定温度にて得られるべき物理量に対応する熱処理設定温度を取得し、これらの温度差に基づいて各物理量測定位置に対応する温度プローブの温度補正値を求めるステップと、
を有することを特徴とする熱処理温度の調整方法。
【請求項２】
前記校正データは、基板面内での前記物理量の平均値と熱処理設定温度を対応づけたデータである請求項１記載の熱処理温度の調整方法。
【請求項３】
前記校正データが、前記各温度測定位置において取得される請求項１記載の熱処理温度の調整方法。
【請求項４】
前記物理量が、前記熱処理により形成された酸化膜の膜厚である請求項１から３のいずれかに記載の熱処理温度の調整方法。
【請求項５】
前記酸化膜がウエット酸化膜である請求項４記載の熱処理温度の調整方法。
【請求項６】
前記熱処理が基板に形成された不純物拡散領域の活性化アニール処理であり、前記物理量が当該不純物拡散領域のシート抵抗である請求項１から３のいずれかに記載の熱処理温度の調整方法。
【請求項７】
前記不純物は砒素、リンまたはボロンである請求項６記載の熱処理温度の調整方法。
【請求項８】
請求項１から８のいずれかに記載の熱処理温度の調整方法により調整がなされた熱処理装置により、基板の熱処理を行う基板熱処理方法。
【請求項９】
同一基板の複数の位置において計測された温度に基づいて温度制御を行い、前記基板の熱処理を行う熱処理裝置において、
前記基板を加熱する複数の加熱手段と、
前記基板の温度を計測する複数の温度プローブと、
前記熱処理に応じて変動する物理量と熱処理設定温度とを対応づけた校正データから算出された各温度プローブの温度補正値に基づいて、各温度プローブが計測した温度を補正する手段と、
前記補正された温度に基づいて、前記各加熱手段の加熱量を制御する手段と、
を備えたことを特徴とする熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路の製造工程において広く使用されている半導体基板を高速に熱処理するＲＴＰ（Rapid Thermal Process）方式を採用した熱処理装置の精密な温度調整方法、基板の熱処理方法及び基板熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置を構成する素子パターンの微細化に伴い、薄いゲート絶縁膜や浅い不純物拡散領域等を、スループットを低下させることなく、均一に、かつ安定して形成することが必要となっている。このため、半導体装置の製造工程では、短時間の熱処理を枚葉式で行うＲＴＰ熱処理装置が使用されるようになっている。この種の装置として、ハロゲンランプ等の基板加熱用ランプが放射するエネルギーにより半導体基板の熱処理を行うランプ式ＲＴＰ装置が開発され、一般に普及している。
【０００３】
図１は、上記ランプ式ＲＴＰ熱処理装置１（以下、熱処理装置１という。）の要部縦断面図を示すものである。当該熱処理装置１は、半導体基板（以下単に基板という）の熱処理が行われる円筒状のチャンバ３の上部に、石英板４を介して、２０〜３００本程度のタングステンハロゲンランプが配設されたランプユニット２が備えている。
【０００４】
上記チャンバ３の側壁には、チャンバ３内にプロセスガスを導入するためのガス導入路８が連通され、ガス導入路８と対向する位置の側壁には、チャンバ３内のガスを排出するガス導出路９が連通されている。例えば、基板１０上に酸化膜や窒化膜等の特定の材料膜を形成する熱処理を行う場合には、当該材料膜に応じた材料ガスがガス導入路８から導入され、不純物が注入された基板１０の活性化アニール処理を行う場合には、Ｎ2ガスやＡｒガス等の不活性ガスがガス導入路８から導入される。
【０００５】
また、チャンバ３の内部には、熱処理対象となる基板１０の直径よりもわずかに小さい内径を有するシリコンカーバイド等の耐熱材料からなる支持リング５が水平面内に配置されている。支持リング５は、チャンバ３の下面から鉛直上方に突出する円筒状の回転シリンダ６により支持されており、支持リング５の内縁部に基板１０のエッジ部が載置される。また、回転シリンダ６は、水平面内で回転可能な軸受け（図示せず）を介して、チャンバ３の底面に支持されており、熱処理は基板１０を回転させながら実施される。なお、基板１０は、例えば、チャンバ３の側壁に開閉自在に設けられた、図示しない基板入出口から搬入出される。
【０００６】
また、チャンバ３の底面には、回転シリンダ６の内側の領域に、適当な間隔をおいて配置された光ファイバプローブよりなる複数の温度プローブ７の一端が露出されており、基板１０の下面から放射される光（輻射熱）を受け、該光温度プローブ７の他端に接続された、図示しないパイロメータ等の温度計測器によって、熱処理中の基板面の温度が基板の中心部から周辺部に渡って計測される。
【０００７】
図２は、上述の熱処理装置１において、熱処理に使用される一般的な熱処理シーケンスを示す図である。図２に示すように、熱処理シーケンスは、昇温プロセスと、所定の熱処理温度Ｔｍを所定時間ｔだけ保持するメインプロセスと、降温プロセスからなる。各プロセスにおいて、ランプパワーバランスは、図１の装置において、各温度プローブ７が計測した温度に基づいて、温度制御手段２０が、各温度プローブ７に対向する領域に設置された複数のランプのランプパワーを制御することにより、基板面内における温度が均一となるように調整される。
【０００８】
また、基板面内における温度分布の改善を図る技術が種々提案されており、例えば、上記昇温プロセスにおける昇温速度の異なる複数の段階に分けて時間的に半導体基板を昇温し、各々の昇温段階毎にランプのパワーバランスを設定し、さらに各々の昇温段階の昇温速度をメインプロセスの装置設定温度に達するまで順次減速させる手法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００９】
この技術では、ランプのパワーバランスは、ダミー基板で得られた評価結果を基に、一定速度で昇温する昇温プロセス及び所定温度を所定時間保持するメインプロセスの熱負荷に対して調整される。例えば、ダミー基板の表面にＲＴＰで酸化膜を形成し、この酸化膜の膜厚の基板面内分布を評価することによって、ランプのパワーバランスの条件を設定している。
【特許文献１】特開２０００−３３１９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、昇温プロセスを複数段に分けて昇温しただけでは、図２におけるメインプロセスの温度が５００℃〜１２００℃の領域での熱処理で、基板面内において、１０度以上温度差が場合によっては生じてしまう。このような温度ばらつきは、今後さらに微細化が進む半導体装置では、特性ばらつきの要因となるため、更なる温度均一化の要求が求められる。
【００１１】
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、ランプ加熱を用いる短時間熱処理における以上のような熱処理温度の基板面内不均一性を除去する温度調整方法、基板の熱処理方法及び熱処理装置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】
【００１２】
上記課題を解決するために本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明は、同一基板の複数の位置において計測された温度に基づいて温度制御を行い、前記基板の熱処理を行う熱処理裝置に適用される熱処理温度の調整方法であって、まず、熱処理に応じて変動する物理量と熱処理設定温度とを対応づけた校正データを取得する。次いで、特定の熱処理設定温度にて熱処理を行った基板の各温度測定位置において、上記物理量を計測する。そして、上記校正データから、計測した物理量に対応する熱処理設定温度、及び前記特定の熱処理設定温度にて得られるべき物理量に対応する熱処理設定温度を取得し、これらの温度差に基づいて各物理量測定位置に対応する温度プローブの温度補正値を求める。上記校正データは、各温度測定位置において取得することが好ましい。また、上記校正データは、基板面内での上記物理量の平均値と熱処理設定温度を対応づけたデータを使用することもできる。
【００１３】
上記物理量は、例えば、上記熱処理により基板上に形成されたドライ酸化膜やウエット酸化膜の膜厚、あるいは、上記熱処理により活性化される基板上の不純物拡散領域のシート抵抗である。
【００１４】
上記手法により、熱処理温度を調整した熱処理装置により基板の熱処理を行うことで、基板に対して均一な熱処理を行うことができる。
【００１５】
一方、他の観点では、本発明は、上記熱処理温度の調整方法の実施に好適な熱処理装置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は、基板を加熱する複数の加熱手段と、前記基板の温度を計測する複数の温度プローブと、前記熱処理に応じて変動する物理量と熱処理設定温度とを対応づけた校正データから算出された各温度プローブの温度補正値に基づいて、各温度プローブが計測した温度を補正する演算処理部を備えている。そして、上記温度補正値に基づいて補正された各温度プローブが取得した温度に基づいて、上記各加熱手段の加熱量が制御される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、基板の面内温度の均一性を向上することができ、基板面内の温度差を４度以下に抑えることが可能である。これにより、基板面内における半導体装置の特性ばらつきや信頼性ばらつきを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本実施形態に係る熱処理装置の要部構成を示す概略図である。この熱処理装置は、前述した従来の熱処理装置と同様に、金属製のチャンバ３を有し、チャンバ３の上部に、石英板４を介して、ランプ光源となる多数のタングステンハロゲンランプ等を備えたランプユニット２が設けられている。チャンバ３内には基板１０を水平に支持する支持リング５と、チャンバ３の底面（基板１０の裏面側）に複数の温度プローブ７が設けられている。支持リング５が載置される回転シリンダ６は、図示しない駆動機構により回転し、基板１０をチヤンバ３内で、例えば、９０〜２５０回転／分で回転させる。なお、チャンバ３には、プロセスガスを導入するガス導入路８と、導入されたプロセスガスを排気するガス導出路９が設けられている。
【００１８】
温度プローブ７には、基板１０の裏面からの放射光が入射し、当該放射光を温度に換算することで、基板１０の温度が測定される。また、基板１０の面内の温度及び温度分布を測定するため、温度プローブ７は、基板１０の中心に対向する位置から外周に対向する位置に渡って複数設置されている。
【００１９】
上記熱処理装置１において、熱処理を行う際の熱処理シーケンスは上述の図２のとおりであるのでここでの説明は省略する。
【００２０】
さて、本発明に係る熱処理温度の調整方法では、熱処理に応じて基板１０の表面上に成長する熱酸化膜の膜厚が熱処理温度を敏感に反映することを利用している。まず、チャンバ３内に一定の流量でドライ酸素を導入して、熱処理温度Ｔｍを維持する時間ｔを、例えば、５秒から５分までの間の所定時間で固定し、図１に示す熱処理装置を用いて、基板１０（ここでは、シリコン基板）を支持リング５とともに回転させながら、実際の半導体装置の製造工程で使用される熱処理温度範囲を含む５００〜１２００℃の間で酸化処理を行う。このとき、熱処理装置１において、熱処理温度Ｔｍを設定したときに成長した酸化膜厚ｄを、熱処理温度Ｔｍを５〜１００度のステップで変えて計測する。なお、酸化膜厚ｄは、エリプソメータ等により計測することができる。また、以下では、熱処理装置に設定した熱処理温度を熱処理設定温度という。
【００２１】
図３は、このようにして取得した熱処理設定温度Ｔｍと酸化膜厚ｄとの関係を示す図である。温度特性図を取得する温度帯は、温度プローブの温度測定信頼性のある５００℃から、一般的なＲＴＰのプロセスに使用する最高温度帯である１２００℃まで取得している。
【００２２】
図３は、図１の熱処理装置の異なる位置に配置された３つの温度プローブ７（図３に、実線、破線、点線で示す。）に対向する位置の酸化膜厚ｄの熱処理設定温度Ｔｍに対する依存性（校正データ）の例を示す図である。図３に示すように、設定温度が同じであっても、各温度プローブ７に対応する位置に形成された酸化膜厚ｄは異なる。これは温度プローブ７が基板１０上の真の温度を測定しているのではなく、熱処理中も基板１０とは温度が異なる支持リング５からの距離や、温度プローブ７の取付け具合、各温度プローブ７に対するランプパワーの寄与の差異等のばらつきを含んだ、見かけ上の温度を測定しているためであると考えられる。ここでは、以上のような校正データを、全ての温度プローブ７に対して取得する。
【００２３】
全ての温度プローブに対して、図３に示す校正データを取得した後、シリコン面が露出したダミー基板（シリコン基板でよい）を用いて、ドライ酸素流量、熱処理維持時間ｔを上記固定した条件とし、熱処理設定温度Ｔｍを５００℃〜１２００℃の間で任意に選択した熱処理シーケンスによりドライ酸化を行う。そして、当該熱処理シーケンスにより成膜された酸化膜の膜厚ｄに基づいて各温度プローブ７の温度補正値を求める。
【００２４】
ここでは、ダミー基板の各温度プローブ７に対向する位置に形成された酸化膜の膜厚を計測する。そして、図３に示した各温度プローブ７に対する校正データに基づいて、それぞれの位置で測定した酸化膜厚に対応する熱処理設定温度Ｔｍを求める。この温度が、酸化膜を形成した位置における温度Ｔになる。例えば、図３に実線で示す校正データが取得された温度プローブ７に対向する位置に、膜厚が１０ｎｍの酸化膜が形成されていた場合、温度Ｔは、１０５０℃となる。
【００２５】
次いで、上記ダミー基板の熱処理において、ダミー基板上に形成されるべき酸化膜の膜厚（目標酸化膜厚）に対応する熱処理設定温度Ｔｍ’と上記温度Ｔとの差を求め、当該温度差を当該温度プローブ７の温度補正値とする。例えば、図３に実線で示す校正データにおいて、目標酸化膜厚が１２ｎｍであった場合、温度Ｔｍ’は、１０７０℃となる。したがって、温度差ΔＴは２０℃となる。すなわち、当該温度プローブ７の位置では、目標酸化膜厚を得るためには、熱処理設定温度Ｔｍ＋ΔＴの温度として、当該位置に対応する加熱ランプのランプパワーを調整すればよい。
【００２６】
以上のようにして、各温度プローブ７の温度補正値を求め、当該温度補正値を加味した温度に基づいてランプユニットのランプパワーを調整することにより基板１０上のいずれの位置においても同じ酸化膜厚が得られるように温度調整を行うことができる。すなわち、基板１０の面内において熱処理温度をほぼ均一にすることができるのである。
【００２７】
ところで、上記では、各温度プローブ７について予め求めた校正データに基づいて、各温度プローブ７の温度補正値を求めたが、当該温度補正値は、以下のようにして求めることもできる。
【００２８】
図４は、図３と同様にして取得された、酸化膜厚と熱処理設定温度Ｔｍとの関係を示す校正データを示す図である。ここでは、酸化膜厚が、基板１０の面内の平均膜厚ｄａである点が図３と異なっている。このように、平均膜厚を使用することで、上述の基板１０の面内における温度不均一性を排除している。また、熱処理設定温度Ｔｍが、５００℃〜１２００℃である範囲において、面内温度不均一性が異なることが予想されるが、基板面内の温度ばらつき幅は、いずれの温度でも同等であった。したがって、面内の平均膜厚ｄａを用いた図４に示す校正データは、面内温度ばらつきが低減されたデータであると考察することができる。
【００２９】
図４に示す校正データを取得した後、上記と同様に、ダミー基板を用いて、ドライ酸素流量、熱処理維持時間ｔを上記固定した条件とし、熱処理設定温度Ｔｍを５００℃〜１２００℃の間で任意に選択した熱処理シーケンスによりドライ酸化を行う。そして、当該熱処理シーケンスにより成膜された酸化膜の膜厚ｄに基づいて各温度プローブ７の温度補正値を求める。
【００３０】
この場合も、ダミー基板の各温度プローブ７に対向する位置に形成された酸化膜の膜厚を計測し、それぞれの位置で測定した酸化膜厚に対する温度Ｔを、図４の校正データから求める。次に、同じ図４の曲線から求めた目標酸化膜厚に対応する熱処理設定温度Ｔｍ’と温度Ｔとの差を求め、当該温度差を当該温度プローブ７の温度補正値とする。
【００３１】
例えば、校正対象の温度プローブ７に対向する位置に、膜厚が１０ｎｍの酸化膜が形成されていた場合、図４に示す校正データによれば、温度Ｔは１０５０℃となる。そして、目標酸化膜厚が１２ｎｍであった場合、温度Ｔｍ’は１０７０℃となる。したがって、温度差ΔＴは２０℃となる。すなわち、当該温度プローブ７の位置では、目標酸化膜厚を得るためには、熱処理設定温度Ｔｍ＋ΔＴの温度として、当該位置に対応する加熱ランプのランプパワーを調整すればよい。
【００３２】
以上のようにして、各温度プローブ７の温度補正値を求め、当該温度補正値を加味した温度に基づいてランプユニットのランプパワーを調整することにより基板１０上のいずれの位置においても同じ酸化膜厚が得られるように温度調整を行うことができる。すなわち、基板１０の面内において熱処理温度をほぼ均一にすることができる。
【００３３】
しかしながら、図４の校正データでは、酸化膜の平均膜厚に基づいて各温度プローブ７の温度補正値を取得することになる。この場合、各温度プローブ７と対向する位置で加熱を行うランプの本数や各温度プローブの基板中央部からの距離、支持リングによる基板外周部の冷却作用、各温度プローブ間の距離等は、温度補正値に正確に反映されていない。したがって、より正確な温度補正値とするために、当該温度補正値に特定の係数を積算することにより、さらに補正を行うことが好ましい。
【００３４】
以上説明したように、本発明の熱処理温度の調整方法を用いることにより、基板の面内温度の均一性を向上することができる。特に、各温度プローブ７に対して、個別に校正データを取得する手法では、基板面内の温度差を４度以下に抑えることが可能である。したがって、本手法により熱処理温度を調整した熱処理装置により基板の熱処理を行うことで、基板面内における半導体装置の特性ばらつきや信頼性ばらつきを低減することができる。
【００３５】
図５は、上記熱処理温度の調整方法を実行する温度制御手段２０を備えた熱処理装置を示す図である。図５に示すように、この熱処理装置は、温度制御手段２０の演算処理部２２が、各温度プローブ７により計測された基板１０の温度を取得する（パイロメータは図示せず）。そして、当該演算処理部２２が、各温度プローブ７に対向する領域に設けられた一群のランプのランプパワーを個別に制御するランプドライバ２１に、上述の各温度プローブに対する温度補正値を制御信号を出力する。なお、演算処理部２２には、図３、あるいは図４に示す校正データが設定されている。また、ランプドライバ２１及び演算処理部２２は、例えば、専用の演算回路や、プロセッサとＲＡＭやＲＯＭ等のメモリとを備えたハードウェア、及び当該メモリに格納され、プロセッサ上で動作するソフトウェア等として実現することができる。
【００３６】
上記構成において、操作者により、入力部２３から、熱処理設定温度Ｔｍを含む熱処理シーケンスが入力されると、演算処理部２２は、予め設定されている上記校正データに基づいて、上述の演算を行い、各温度プローブ７の温度補正値を算出する。そして、演算処理部２２は、各温度プローブ７から入力される温度データに各温度補正値を用いて補正した温度が、入力された熱処理設定温度ＴｍとＴｍになるような制御信号をランプドライバ２１に出力する。ランプドライバ２１は、当該制御信号に応じてランプユニット２のランプパワーを制御する。
【００３７】
このため、上記構成の熱処理装置によれば、上述の手法により取得された温度補正値に基づいてランプパワーの制御が行われるため、基板の全面を均一な温度として熱処理を行うことができる。
【００３８】
なお、以上の説明では、ある１つの熱処理設定温度で温度補正値を求め温度調整を行ったが、一旦調整すると通常は他の熱処理温度でも不均一性が調整されるため、当該温度において求めた温度補正値を用いて、他の温度で熱処理を行うことができる。
【００３９】
ところで、図３、図４の校正データによれば、校正データを示す関数、Ｔｍ＝ｆ（ｄ）を構築することが可能である（図３の場合はそれぞれの温度プローブ７に対して関数が作成される）。したがって、演算処理部２２が当該関数を内蔵することで、ダミー基板で測定した酸化膜厚を入力部２３から入力することで、上記温度補正値を算出する構成としてもよい。このような関数を求めることにより、仮に、上記校正データの取得範囲外の温度領域においても、外挿により温度補正値を求めることが可能となる。また、上記演算処理部２２は、入力部２３から入力された各温度プローブ７の温度補正値を記憶し、当該温度補正値に基づいて、ランプドライバ２１を制御する構成であってよい。
【００４０】
なお、本発明は、以上で説明した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、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記では、ダミー基板のドライ酸化膜の膜厚により、各温度プローブの温度補正値を求める事例を説明したが、上記酸化膜は、ウエット酸化による酸化膜でもよい。また、上記温度補正値は、熱処理に応じて変動する物理量であれば、酸化膜厚に限らず、任意の物理量を用いて求めることができる。例えば、砒素、リン、ボロンなどの不純物がイオン注入された半導体基板を用いて、熱処理（活性化アニール処理）を行い、当該熱処理後の不純物拡散領域のシート抵抗値の面内分布を用いて上記温度補正値を求めることも可能である。このような不純物拡散領域のシート抵抗値は、熱処理温度に対して非常に敏感に反応するためより厳密な温度補正値を求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、基板の面内温度の均一性を向上させることができ、基板の熱処理を行う熱処理装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の熱処理装置の要部縦断面図
【図２】本発明の熱処理シーケンスを説明するため図
【図３】本発明の校正データの一例を示す図
【図４】本発明の校正データの一例を示す図
【図５】本発明の熱処理装置の概略構成図
【符号の説明】
【００４３】
１  熱処理装置
２  ランプユニット
３  チャンバ
４  石英板
５  支持リング
６  回転シリンダ
７  温度プローブ
８  ガス導入管
９  ガス導出管
１０  基板
２０  温度制御手段
２１  ランプドライバ
２２  演算処理部
２３  入力部
【図１】
2007081348.tif 000003
【図２】
2007081348.tif 000004
【図３】
2007081348.tif 000005
【図４】
2007081348.tif 000006
【図５】
2007081348.tif 000007