(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物を存在させた基板に所定の熱処理を施した際における基板の深さ方向の不純物分布を測定する工程と、
熱処理温度と保持時間を含む熱処理条件が異なる複数の場合について、基板の深さ方向の不純物分布を理論に基づいて計算する工程と、
理論計算で求めた不純物の複数の分布の中から、前記測定による不純物分布に一致する分布を選択する工程を含み、
選択された理論不純物分布の計算に基づいて、熱処理の際の基板温度と時間との関係である熱履歴を把握することを特徴とする基板温度の測定方法。
【請求項２】
不純物を存在させた基板に所定の熱処理を施した際における基板の深さ方向の不純物分布を基板面内の複数箇所で測定する工程と、
熱処理温度と保持時間を含む熱処理条件が異なる複数の場合について、基板の深さ方向の不純物分布を理論に基づいて計算する工程と、
理論計算で求めた不純物の複数の分布の中から、前記測定による不純物分布に一致する分布を選択する工程を含み、
選択された理論不純物分布の計算に基づいて、熱処理の際の基板面内の複数箇所における基板温度と時間との関係である熱履歴を把握することを特徴とする基板温度の測定方法。
【請求項３】
熱処理温度以外の昇温速度、保持時間が一定の場合に、
不純物を存在させた基板に所定の熱処理を施した際における基板の所定深さの不純物量を測定し、その測定結果を、理論に基づく計算で得られた前記保持時間内の基板温度と所定深さの不純物量との関係と比較し、熱処理の際の前記保持時間内の基板温度を把握することを特徴とする基板温度の測定方法。
【請求項４】
熱処理温度以外の昇温速度、保持時間が一定の場合に、
不純物を存在させた基板に所定の熱処理を施した際における基板の所定深さの不純物量を基板面内の複数箇所で測定し、それらの測定結果を、理論に基づく計算で得られた前記保持時間内の基板温度と所定深さの不純物量との関係と比較し、熱処理の際の前記保持時間内の基板面内の温度分布を把握することを特徴とする基板温度の測定方法。
【請求項５】
前記不純物は熱処理前に基板の表面部分にドープされていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の基板温度の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の基板の温度を測定する基板温度の測定方法に関する。
【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】
しかし、半導体ウエハの温度を直接測定することが困難であることから、従来は、半導体ウエハの加熱部分であるサセプタの温度や、チャンバー内の雰囲気温度をモニターしてその温度に基づいて間接的にウエハ温度を求めており、実際のウエハ温度自体を直接把握していないため、半導体ウエハのプロセス中の温度を高精度で求めることはできていない。なお、半導体ウエハの比抵抗を直接測定して、半導体ウエハの面内温度の均一性を把握する方法があるが、この方法では温度の絶対値を求めることが困難である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、基板自体から直接的に高精度でその温度を把握することができる基板温度の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】
上記課題を解決するために、本発明は、不純物を存在させた基板に所定の熱処理を施した際における基板の深さ方向の不純物分布を測定する工程と、熱処理温度と保持時間を含む熱処理条件が異なる複数の場合について、基板の深さ方向の不純物分布を理論に基づいて計算する工程と、理論計算で求めた不純物の複数の分布の中から、前記測定による不純物分布に一致する分布を選択する工程を含み、選択された理論不純物分布の計算に基づいて、熱処理の際の基板温度と時間との関係である熱履歴を把握することを特徴とする基板温度の測定方法を提供する。
【０００６】
また、本発明は、不純物を存在させた基板に所定の熱処理を施した際における基板の深さ方向の不純物分布を基板面内の複数箇所で測定する工程と、熱処理温度と保持時間を含む熱処理条件が異なる複数の場合について、基板の深さ方向の不純物分布を理論に基づいて計算する工程と、理論計算で求めた不純物の複数の分布の中から、前記測定による不純物分布に一致する分布を選択する工程を含み、選択された理論不純物分布の計算に基づいて、熱処理の際の基板面内の複数箇所における基板温度と時間との関係である熱履歴を把握することを特徴とする基板温度の測定方法を提供する。
【０００７】
さらに、本発明は、熱処理温度以外の昇温速度、保持時間が一定の場合に、不純物を存在させた基板に所定の熱処理を施した際における基板の所定深さの不純物量を測定し、その測定結果を、理論に基づく計算で得られた前記保持時間内の基板温度と所定深さの不純物量との関係と比較し、熱処理の際の前記保持時間内の基板温度を把握することを特徴とする基板温度の測定方法を提供する。
【０００８】
さらにまた、本発明は、熱処理温度以外の昇温速度、保持時間が一定の場合に、不純物を存在させた基板に所定の熱処理を施した際における基板の所定深さの不純物量を基板面内の複数箇所で測定し、それらの測定結果を、理論に基づく計算で得られた前記保持時間内の基板温度と所定深さの不純物量との関係と比較し、熱処理の際の前記保持時間内の基板面内の温度分布を把握することを特徴とする基板温度の測定方法を提供する。
【０００９】
これらの発明において、熱処理前に基板の表面部分に不純物をドープすることにより基板に不純物を存在させることができる。
【００１０】
本発明においては、基板に不純物を存在させた状態で基板を熱処理すると、その熱処理温度に応じた不純物の拡散が生じることを利用して基板温度を把握する。すなわち、例えば理論的なシミュレーション結果のような計算結果から各温度における基板の深さ方向の不純物分布を把握しておけば、実際の熱処理により得られた基板深さ方向の不純物分布をこのような計算結果と比較することにより、基板の温度を把握することができる。このように基板自体の状態に基づいて基板温度を把握するので、極めて高精度に基板の温度を測定することができる。そして、実際の不純物分布を種々の熱履歴に対応する計算結果と比較すれば、温度のみならず熱履歴をも把握することができる。昇温速度や保持時間が一定の場合には、不純物分布を測定する代わりに基板の所定深さの不純物量を測定して計算結果に基づく温度と所定深さの不純物量との関係と比較すればより容易に基板温度を把握することができる。また、このような基板の深さ方向の不純物分布や所定深さの不純物量を基板面内の複数位置で測定することにより、基板面内の温度分布を高精度で把握することができる。
【００１１】
【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、基板として半導体ウエハを用いた場合について説明する。
図１は、本発明の方法の一実施形態を示す工程図である。本発明により半導体ウエハ温度を測定する際には、図１に示すように、まず、不純物を存在させた半導体ウエハに所定の熱処理を施す（工程１）。次いで、半導体ウエハの深さ方向の不純物分布を測定する（工程２）。さらに、予めシミュレーションにより求めた各条件における不純物分布カーブによるカーブフィッティングを行う（工程３）。すなわち、工程２で求めた不純物分布カーブに一致するシミュレーションカーブを選択する。そして、選択されたシミュレーションカーブから熱処理の際の半導体ウエハの温度を特定する（工程４）。
【００１２】
上記工程１において用いられる不純物としては、通常、半導体ウエハの不純物元素として用いられる３価または５価の元素、典型的にはＢまたはＡｓを用いることができる。これら不純物元素は通常のイオン注入を用いてドープすることにより表面部分に存在させることができる。
【００１３】
本発明が適用される熱処理は特に限定されないが、不純物をドープした後の６００〜１２００℃程度の高温領域でのアニール処理が好適である。このような範囲の温度の熱処理では温度変化により不純物分布の変化が生じやすく、高精度でウエハ温度を把握することができる。
【００１４】
このようなアニール処理には、制御性がよい短時間アニール（ＲＴＡ；Rapid Thermal Annealing）が多用されており、そのため図２に示すようなＲＴＰ（Rapid Thermal Processor）が用いられる。図２において、参照符号１はプロセスチャンバーであり、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に分離可能となっている。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。チャンバー１の上方には発熱部３が着脱可能に設けられている。発熱部３は、水冷ジャケット４と、その下面に複数配列されたタングステンランプ５とを有している。プロセスチャンバー１の下方には半導体ウエハＷを保持する水冷プラテン６が着脱可能に設けられている。このプラテン６の上面にはウエハ支持ピン７が設けられており、半導体ウエハＷはこの支持ピン７に支持される。発熱部３のジャケット４と上部チャンバー１ａとの間、上部チャンバー１ａと石英窓２との間、石英窓２と下部チャンバー１ｂとの間、下部チャンバー１ｂとプラテン６との間にはシール部材Ｓが介在されており、プロセスチャンバー１は気密状態となる。チャンバー１内は図示しない排気装置により減圧可能となっている。
【００１５】
このような熱処理装置においては、プロセスチャンバー１内に半導体ウエハＷをセットし、その中に気密な空間を形成し、排気装置により排気してその中を真空状態とする。次いで、発熱部３のタングステンランプ５をオンにすると、タングステンランプ５で発生した熱が石英窓２を通過して半導体ウエハＷに至り、半導体ウエハＷが急速に加熱される。加熱が終了した後は、プロセスチャンバー１内を大気圧に戻し、発熱部３を退避させるとともに、プラテン６を下降させて半導体ウエハＷを急速に冷却する。このようにして、所望の急速加熱処理が実現される。
【００１６】
半導体ウエハの表面部分にドープされた不純物は、このような熱処理によって内部に拡散し、深さ方向に所定の分布を形成する。工程２では、このような深さ方向の不純物の分布を分析によって求める。この際の分析方法は特に限定されないが、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により好適に求めることができる。
【００１７】
工程３では、理論的な計算により各条件毎に深さ方向の不純物分布のシミュレーションカーブを予めコンピュータに入力しておき、実際にＳＩＭＳにより求めた不純物分布のカーブに対し、これらシミュレーションカーブによるカーブフィッティングを行う。この際のシミュレーションカーブの作成およびカーブフィッティングは、適宜のソフトウェアーを用いて行うことができ、例えばＴ−ＣＡＤのプロセスシミュレーターを用いて行うことができる。
【００１８】
図３は、理論的な計算結果に基づくシリコンウエハーの不純物分布のシミュレーションカーブと実際にＳＩＭＳにより求めた不純物分布のカーブとを比較した図であり、（ａ）は１０００℃で１分間のＲＴＡを行ったもの、（ｂ）は１０００℃で１分間のＲＴＡを行った後、７５０℃で１６０分間の非活性化アニールを行ったもの、（ｃ）は７５０℃で１０分間のアニールを行ったもの、（ｄ）は７５０℃で１６０分間のアニールを行ったものである（出典：Chang et al.IEDM97)。
【００１９】
図３に示すように、理論的な計算結果に基づいて描かれた不純物分布のシミュレーションカーブは、実際の分析値とほぼ一致しており、このようなシミュレーション結果に基づいて半導体ウエハの温度を把握することの有効性が理解される。この図にも示すように、不純物分布は処理温度によって異なっているから、種々の熱処理温度でのシミュレーションデータを入力しておけば、熱処理を行った後の分析結果をこれらシミュレーションデータと比較することにより、熱処理の際の半導体ウエハの温度を特定することができる。
【００２０】
このように、高精度のシミュレーションデータに基づいてカーブフィッティングを行って、半導体ウエハの不純物分布という半導体ウエハ自体の状態に基づいてその温度を把握するので、従来の間接的な温度測定の場合と比較して、著しく精度の高い温度測定を行うことができる。
【００２１】
また、図３から明らかなように、熱処理温度のみならず保持時間等他の熱処理条件によっても不純物分布は異なっている。したがって、種々の熱履歴を加えた場合の不純物分布のシミュレーション結果を入力しておくことにより、半導体ウエハに対して熱処理を行った際の熱処理温度のみならず、熱履歴を把握することも可能である。
【００２２】
逆に、熱処理温度以外の昇温速度や保持時間等が一定の場合には、上述のような不純物分布を測定する代わりに、ウエハの所定深さの不純物量を測定し、熱処理温度と所定深さの不純物量との関係のシミュレーションデータと比較するようにすれば、より容易に基板温度を把握することができる。
【００２３】
以上のような手順により半導体ウエハの温度を把握することができるが、半導体ウエハ面内の温度分布を把握する場合には、深さ方向の不純物分布や所定深さの不純物量の測定を基板面内の複数位置で測定し、同様にシミュレーションデータと比較すればよい。これにより、ウエハ面内の温度分布を高精度で把握することができる。
【００２４】
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半導体ウエハの温度測定について示したが、これに限らず、不純物の拡散が想定される基板であれば用いることができる。また、対象とする熱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。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、不純物を存在させた基板に所定の熱処理を施した際における基板の深さ方向の不純物分布を測定し、その測定結果を、計算結果に基づく温度と不純物分布との関係と比較し、熱処理の際の基板温度を把握するので、実際の基板の状態に基づいて直接的に基板温度を把握することができ、極めて高精度に基板の温度を測定することができる。また、昇温速度や保持時間が一定の場合には、不純物分布を測定する代わりに基板の所定深さの不純物量を測定して計算結果に基づく温度と所定深さの不純物量との関係と比較すれば、より容易に基板温度を把握することができる。さらに、このような基板の深さ方向の不純物分布や所定深さの不純物量を基板面内の複数位置で測定してこれらについて計算結果と比較することにより、基板面内の温度分布を高精度で把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の一実施形態を示す工程図。
【図２】本発明が適用される熱処理を行うための装置の一例を示す断面図。
【図３】理論的な計算結果に基づくシリコンウエハーの不純物分布のシミュレーションカーブと実際に二次イオン質量分析により求めた不純物分布のカーブとを比較して示す図。
【符号の説明】
１；チャンバー
２；石英窓
３；発熱部
４；水冷ジャケット
５；タングステンランプ
６；プラテン
７；ウエハ支持ピン
Ｓ；シール部材
Ｗ；半導体ウエハ
【図１】
0004208995.tif 000002
【図２】
0004208995.tif 000003
【図３】
0004208995.tif 000004