(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その出力と測定対象の温度とが直線近似可能であり、かつ直線の傾きとＹ切片とを適宜設定することにより較正することが可能な放射温度計を用いて測定対象の温度を測定する温度測定方法であって、
表面状態が異なる複数の測定対象を準備し、測定対象を透過しない波長の光を照射してこれらの反射率を測定する工程と、
各測定対象について前記直線の傾きとＹ切片とを複数設定し、各設定の放射温度計で温度を測定しつつ２つのレシピにて測定対象に成膜処理を施す工程と、
各測定対象の同一のレシピについて、形成された膜の膜厚を前記直線の傾きおよびＹ切片の関数とした式で表す工程と、
各測定対象について、各レシピごとに基準となる膜厚の値を決定して、それらの値を各レシピに対応する２つの式に代入し、その際の直線の傾きとＹ切片とを求める工程と、
各測定対象の前記反射率の測定結果とこのようにして求めた直線の傾きおよびＹ切片の値とから測定対象の反射率と前記直線の傾きおよびＹ切片の値との関係を求める工程と、
これらの関係に基づいて放射温度計の放射率の補正を行って測定対象の温度を測定する工程とを具備することを特徴とする、放射温度計を用いた温度測定方法。
【請求項２】
前記成膜処理が酸化処理であり、形成された酸化膜の膜厚を前記直線の傾きおよびＹ切片の関数とした式を以下の（１）式としたことを特徴とする請求項１に記載の放射温度計を用いた温度測定方法。
Ｄ＝（ａ１・Ｓ＋ａ０）・Ｆ＋（ｂ２・Ｓ２＋ｂ１・Ｓ＋ｂ０） …（１）
ただし、
Ｄ：酸化膜厚
Ｓ：直線の傾き
Ｆ：直線のＹ切片
ａ０，ａ１，ｂ０，ｂ１，ｂ２：任意の定数
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の対象物の温度を放射温度計を用いて測定する温度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、所定の不純物を注入した後のアニール等種々の熱処理が存在し、また種々の膜の成膜工程やエッチング工程等の熱が関与する処理が存在する。これらの処理においては、その際の半導体ウエハの温度がその特性に大きな影響を及ぼすため、半導体ウエハの温度制御が極めて重要である。
【０００３】
比較的温度の高い領域における半導体ウエハの温度測定は、放射温度計を用いて行われている。放射温度計は測定対象の放射強度を検出し、検出された放射強度に基づいて温度を測定する。しかしながら、放射温度計で半導体ウエハの温度を測定する場合には、半導体ウエハの表面の粗さや薄膜の厚さによってウエハの放射率が変化し、また、放射温度計から照射するが温度測定を正しく行うことができないという欠点がある。
【０００４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、放射温度計を用いて測定対象の温度を正確に測定することができる温度測定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、まず、測定対象に対して透過しない波長の光源を用いれば、その反射率と放射率とが対応することを知見した。したがって、測定対象表面の反射率と測定対象に貼り付けた熱電対の値とから放射率の補正テーブルを作成し、これにより放射率の補正を行うことを試みた。
【０００６】
しかしながら、熱電対を測定対象に固定する際の状態に再現性がなく、熱電対と測定対象の接触状態が異なるため、温度誤差が生じ、正しい補正テーブルを得ることができなかった。
【０００７】
そこで、さらに検討を加えた結果、測定対象に対して温度に対応する結果が得られる処理を施し、その処理結果と測定対象の反射率とを用いれば正確な補正テーブルを得ることができ、これを用いれば測定対象の表面粗さ等の相違により放射率が変化しても放射温度計を用いて測定対象の温度を正確に測定可能なことを知見した。
【０００８】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その出力と測定対象の温度とが直線近似可能であり、かつ直線の傾きとＹ切片とを適宜設定することにより較正することが可能な放射温度計を用いて測定対象の温度を測定する温度測定方法であって、
表面状態が異なる複数の測定対象を準備し、測定対象を透過しない波長の光を照射してこれらの反射率を測定する工程と、各測定対象について前記直線の傾きとＹ切片とを複数設定し、各設定の放射温度計で温度を測定しつつ２つのレシピにて測定対象に成膜処理を施す工程と、各測定対象の同一のレシピについて、形成された膜の膜厚を前記直線の傾きおよびＹ切片の関数とした式で表す工程と、各測定対象について、各レシピごとに基準となる膜厚の値を決定して、それらの値を各レシピに対応する２つの式に代入し、その際の直線の傾きとＹ切片とを求める工程と、各測定対象の前記反射率の測定結果とこのようにして求めた直線の傾きおよびＹ切片の値とから測定対象の反射率と前記直線の傾きおよびＹ切片の値との関係を求める工程と、これらの関係に基づいて放射温度計の放射率の補正を行って測定対象の温度を測定する工程とを具備することを特徴とする、放射温度計を用いた温度測定方法を提供するものである。
【００１２】
本発明においては、測定対象における測定対象を透過しない波長の光の反射率と、測定対象に対し処理結果が温度と対応する所定の処理を行った際の処理結果との関係から、測定対象に対応する前記直線の傾きとＹ切片とを求め、これを複数の測定対象について行って測定対象の反射率と前記直線の傾きおよびＹ切片の値との関係を求め、これらの関係に基づいて放射温度計の放射率の補正を行うので、測定対象の表面状態等が異なっても放射温度計を正確に補正することができ、かつ温度に対応する処理結果を用いていることにより、熱電対の接触状態の相違による温度誤差の問題を解消することができる。したがって、放射温度計を用いて測定対象の温度を正確に測定することができる。
【００１３】
具体的には、表面状態が異なる複数の測定対象に対して、これらを透過しない波長の光を照射してその反射率を測定するとともに、各測定対象について放射温度計出力と測定対象の温度との関係を示す直線の傾きとＹ切片とを複数設定し、各設定の放射温度計で温度を測定しつつ２つのレシピにてこれら測定対象に対し処理結果が温度と対応する所定の処理を行う。この場合に、同一レシピであっても、傾きとＹ切片が異なる各直線に基づいて補正された放射温度計によって温度を測定するから、実際の処理温度は異なっており、その処理温度に対応して異なった処理結果が得られる。したがって、同一レシピについて、処理結果を前記直線の傾きおよびＹ切片の関数とした式で表すことができる。ここで、ある測定対象について、各レシピごとに基準となる処理結果の値、つまり各レシピの温度が一応正確に反映されているとみなされる処理結果の値を決定して、それらの値を各レシピに対応する２つの式に代入し、その際の直線の傾きとＹ切片の値を求めることにより、その測定対象固有の直線の傾きとＹ切片とを求めることができる。これを複数の測定対象について行うことにより測定対象の反射率と前記直線の傾きおよびＹ切片の値との関係を求めることができる。したがって、これらの関係に基づいて放射温度計の放射率の補正を行って測定対象の温度を測定すれば、測定対象の表面状態にかかわらず、かつ熱電対の接触状態の相違による温度誤差の問題を生じることなく測定対象の温度を正確に測定することができる。
【００１４】
この場合に、処理結果が温度に対応する処理としては酸化膜を形成する酸化処理のような成膜処理が好ましい。このような成膜処理は形成された膜の厚さが処理温度に正確に対応するので、膜厚と反射率との関係から放射率を正確に補正することができ、測定対象の温度を極めて正確に測定することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。ここでは、測定対象として半導体ウエハを用いた場合について説明する。
【００１６】
図１は、本発明の温度測定方法を実施するためのランプアニーラーを示す概略断面図である。参照符号１はプロセスチャンバーを示し、このプロセスチャンバー１は上部チャンバー１ａおよび下部チャンバー１ｂを有している。上部チャンバー１ａおよび下部チャンバー１ｂの間には石英窓２が設けられている。上部チャンバー１ａには、石英窓２に沿ってタングステンランプ等のランプ３が複数配列されている。
【００１７】
下部チャンバー１ｂの底部はウエハ支持部材４で構成されており、この支持部材４から上方に突設されたウエハ支持ピン５により半導体ウエハＷが支持される。なお、チャンバー１内は必要に応じて図示しない排気装置により減圧可能となっている。
【００１８】
一方、ウエハ支持部材４の中央部には放射温度計６が設けられており、半導体ウエハＷの裏面の放射率を検出することにより温度の測定を行う。この放射温度計は、波長が５μｍの光の放射率を検出する。
【００１９】
このようなランプアニーラーにおいては、プロセスチャンバー１内に半導体ウエハＷをセットし、必要に応じて排気装置により排気してその中を所望の圧力に設定して、ランプ３を石英窓２を介して半導体ウエハＷに照射することにより、半導体ウエハＷを加熱する。
【００２０】
この場合に、半導体ウエハＷの裏側の表面状態が異なれば放射率が変化するため、それに対応して放射率の較正を行う必要がある。このような放射率の較正方法について以下に説明する。
【００２１】
図２は、放射率の較正方法を示す図であり、横軸に放射温度計の出力をとり、縦軸に半導体ウエハの温度をとったグラフである。この図で示すように、ウエハに取り付けた熱電対の温度と放射温度計の出力とが直線で近似することができるように回路等で線形化している。そして、放射率を較正可能なように、この直線の傾きとＹ切片とを自由に設定することができるようになっている。
【００２２】
ここで、半導体ウエハの裏側の表面粗さ（表面状態）による放射率が異なれば、上記直線の適正な傾きとＹ切片が変化する。したがって、半導体ウエハＷの裏側の表面状態に応じてそれぞれ固有の適正な傾きとＹ切片とを設定することが必要である。
【００２３】
このような半導体ウエハＷ裏側の表面状態の違い対応した放射率の変化を把握するためには、半導体ウエハＷをチャンバーに搬送する前に、室温において、図３のようにして半導体ウエハＷを透過しない波長の光の反射率を測定する。光が透過しなければ、反射率のみで放射率と対応をとることができる。この際の光源としては、例えば波長が０．７８μｍの半導体レーザーを用いる。この波長の光はＳｉウエハを透過しないので上記目的に合致している。ただし、プロセス温度は、Ｓｉウエハが全波長で不透明といわれている６００℃以上が望ましい。
【００２４】
このようにして表面状態の異なる複数の半導体ウエハについて反射率を測定する。それとともに、各ウエハについて上記放射温度計の出力と半導体ウエハの温度との関係を示す直線（以下、放射率較正直線と記す）の傾きとＹ切片とを複数設定し、各設定の放射温度計で温度を測定しつつ２つのレシピにてこれら半導体ウエハに酸化処理を施す。
【００２５】
この場合に、同一レシピであっても、傾きとＹ切片が異なる各直線に基づいて補正された放射温度計によって温度を測定するから、実際の処理温度は異なっており、その処理温度に対応して異なった酸化膜厚が得られる。したがって、同一レシピについて、酸化膜厚を上記放射率較正直線の傾きとＹ切片との関数とした式で表すことができる。
【００２６】
例えば、ある表面状態の半導体ウエハについて、上記放射率較正直線の傾きとＹ切片とを変化させて、１１００℃で５０秒保持と１０５０℃で４０秒保持の２つのレシピでアニール処理した場合に、図４に示すような関係が得られる。図４は、Ｙ切片を０で固定し、横軸に直線の傾きをとり、縦軸に酸化膜の膜厚をとってこれらの関係を示す図であり、最小二乗法で求めたものである。この図に示すように、酸化膜の膜厚は、上記直線の傾きに関して２次式で近似されることがわかる。
【００２７】
また、図５は、上記１１００℃で５０秒保持のレシピでアニール処理した場合において、上記放射率較正直線の傾きをそれぞれ０．３２、０．３３、０．３４と固定した場合に、横軸にＹ切片をとり、縦軸に酸化膜の膜厚をとってこれらの関係を示す図であり、最小二乗法で求めたものである。この図に示すように、酸化膜の膜厚は、上記直線のＹ切片に関して一次式で近似されることがわかる。
【００２８】
このように、酸化膜の膜厚は、上記放射率較正直線の傾きに関して２次式で表され、同直線のＹ切片に関して１次式で表されるから、酸化膜の膜厚Ｄは上記直線の傾きＳおよびＹ切片Ｆとにより以下の（１）式で表すことができる。
Ｄ＝（ａ１・Ｓ＋ａ０）・Ｆ＋（ｂ２・Ｓ２＋ｂ１・Ｓ＋ｂ０）  …（１）
ただし、ａ０，ａ１，ｂ０，ｂ１，ｂ２は任意の定数である。
【００２９】
そして、これらａ０，ａ１，ｂ０，ｂ１，ｂ２の値は、上記図４、図５に示すように、実験で近似したグラフから求めることができる。
【００３０】
ここで、この実験で用いた半導体ウエハについて、各レシピごとに基準となる酸化膜厚の値、つまり各レシピの温度が一応正確に反映されているとみなされる酸化膜厚の値を決定して、それらの値を各レシピに対応する２つの式に代入し、その際の直線の傾きとＹ切片の値を求めることにより、その半導体ウエハ固有の直線の傾きとＹ切片とを求めることができる。これを表面状態の異なる複数の半導体ウエハについて行うことにより、半導体ウエハの反射率と前記直線の傾きおよびＹ切片の値との関係を求めることができる。つまり、図６および図７の関係を得ることができる。
【００３１】
したがって、これらの関係に基づいて各半導体ウエハに固有の、放射率較正直線の傾きおよびＹ切片を求め、放射温度計の放射率の補正を行って測定対象の温度を測定すれば、測定対象の表面状態にかかわらず、かつ熱電対の接触状態の相違による温度誤差の問題を生じることなく測定対象の温度を正確に測定することができる。
【００３２】
実際に、裏側の表面粗さが異なる複数の半導体ウエハのそれぞれについて、このようにして放射率較正直線の傾きおよびＹ切片を求め、それらの値に設定した直線に基づいて放射温度計の放射率を補正してランプアニールを行った際の酸化膜厚のばらつきを、直線の傾きおよびＹ切片を固定した場合（傾き＝０．３５５９８、Ｙ切片＝−３１．１３）と比較した。この際のアニール条件を１１００℃で５０秒保持とした。その結果を図８に示す。図８は、横軸に半導体ウエハ裏側の表面粗さの指標である散乱率をとり、縦軸に酸化膜の膜厚をとって、これらの関係を示す図である。この図に示すように、本発明に従って、各半導体ウエハごとに放射率較正直線の傾きおよびＹ切片を設定した場合は、これらを固定した場合よりも、ウエハ裏側の表面粗さの違いによる酸化膜厚のばらつきが極めて少ないことが確認された。ちなみに、各ウエハごとに傾きおよびＹ切片を設定した場合の平均膜厚は８４．４Ａ、標準偏差が１．７８Ａ（２．１１％）であったのに対し、傾きおよびＹ切片を固定した場合の平均膜厚は１０９．０Ａ、標準偏差が１７．４０Ａ（１５．９６％）であった。酸化膜厚はプロセス温度を正確に反映するものであるから、本発明を用いることにより放射温度計を用いて正確に半導体ウエハの温度を測定できることが確認された。
【００３３】
次に、上述のように各ウエハごとに放射率較正直線の傾きおよびＹ切片を設定し、プロセス温度を９００℃、１１００℃、１２００℃と３段階に変化させ、いずれも５０秒保持でランプアニールを行った。その結果を図９に示す。図９も図８と同様、横軸に半導体ウエハ裏側の表面粗さの指標である散乱率をとり、縦軸に酸化膜の膜厚をとって、これらの関係を示す図である。この図に示すように、いずれの温度でもウエハ裏側の表面粗さの違いによる酸化膜厚のばらつきが極めて少ないことが確認された。すなわち、本発明を用いることにより、レシピのプロセス温度によらず、放射温度計を用いて正確に半導体ウエハの温度を測定できることが確認された。
【００３４】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々変形が可能である。例えば上記実施の形態では、処理結果が温度と対応する所定の処理としてアニール処理（酸化処理）を行って、酸化膜の膜厚と反射率との関係から放射温度計の放射率を補正したが、これに限らず、例えばＣＶＤメタル成膜における金属膜や、ＳｉＯ２，ＳｉＯＦ，ＣＦｘ等の絶縁膜、Ｔａ２Ｏ５等の高誘電率膜等、他の膜を成膜する処理についても膜厚が処理温度と対応するので適用可能である。また、成膜処理に限らず、処理結果が温度と対応する処理であればよい。さらに、測定対象は半導体ウエハに限るものではない。さらにまた、温度測定の対象となる処理も上述のようなアニールに限らず、他の種々の熱が関与する処理に適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、測定対象における測定対象を透過しない波長の光の反射率と、測定対象に対し処理結果が温度と対応する所定の処理を行った際の処理結果との関係から、測定対象に対応する前記直線の傾きとＹ切片とを求め、これを複数の測定対象について行って測定対象の反射率と前記直線の傾きおよびＹ切片の値との関係を求め、これらの関係に基づいて放射温度計の放射率の補正を行うので、測定対象の表面状態等が異なっても放射温度計を正確に補正することができ、かつ温度に対応する処理結果を用いていることにより、熱電対の接触状態の相違による温度誤差の問題を解消することができる。したがって、放射温度計を用いて測定対象の温度を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の温度測定方法を実施するためのランプアニーラーを示す概略断面図。
【図２】放射率の較正方法を示す図。
【図３】半導体ウエハの裏側の反射率を測定する方法を示す図。
【図４】１１００℃×５０秒および１０５０℃×４０秒のレシピでアニール処理した場合における放射率較正直線の傾きと、酸化膜厚との関係を示す図。
【図５】１１００℃×５０秒のレシピでアニール処理した場合における放射率較正直線のＹ切片と酸化膜厚との関係を示す図。
【図６】半導体ウエハの裏側の反射率と放射率較正直線の傾きとの関係を示す図。
【図７】半導体ウエハの裏側の反射率と放射率較正直線のＹ切片との関係を示す図。
【図８】表面粗さが異なる半導体ウエハごとに放射率較正直線の傾きおよびＹ切片を設定した場合と、放射率較正直線の傾きおよびＹ切片を固定した場合とで、ランプアニールを行った際の酸化膜厚のばらつきを比較して示す図。
【図９】表面粗さが異なる半導体ウエハごとに放射率較正直線の傾きおよびＹ切片を設定し、温度を変化させてランプアニールを行った際の酸化膜厚のばらつきを示す図。
【符号の説明】
１；チャンバー
２；石英窓
３；ランプ
４；支持部材
５；ウエハ支持ピン
６；放射温度計
Ｗ；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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