(57)【要約】【課題】酸化処理ガスと光照射とを用いた酸化プロセス系に供された基板の最表面温度を測定する。【解決手段】酸化処理ガスと光照射とを用いた酸化プロセス系に供されている基板に形成された酸化膜の膜厚の測定結果に基づき基板の表面温度を測定する。前記酸化処理ガスとしては酸素ガス等の酸化性ガスが挙げられる。前記酸化膜の膜厚は楕円偏光解析法またはＸ線光電子分光法が例示される。前記酸化プロセス系内では基板を中空に配置させると、光が直接当たらない基板表面の表面温度測定に適用できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化処理ガスと光照射とを用いた酸化プロセス系に供されている基板に形成された酸化膜の膜厚の測定結果に基づき基板の表面温度を測定すること
を特徴とする基板表面温度測定方法。
【請求項２】
前記酸化膜の膜厚を楕円偏光解析法またはＸ線光電子分光法によって測定することを特徴とする請求項１に記載の基板表面温度測定方法。
【請求項３】
前記酸化処理ガスは酸素ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載の基板表面温度測定方法。
【請求項４】
前記酸化プロセス系内で基板を中空に配置させたことで光が直接当たらない基板表面の表面温度測定に適用できることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の基板表面温度測定方法。
【請求項５】
前記膜厚測定に用いる装置をチャンバ内に設けることにより、酸化プロセス中のその場で表面温度を測定すること特徴とする請求項１または２に記載の基板表面温度測定方法。
【請求項６】
前記表面温度を測定することでプロセス光照射量のフィードバックをかけることが可能なことを特徴とする請求項１または２に記載の基板表面温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は半導体ポリシリコンＴＦＴ、ＦＥＴ素子におけるゲート酸化膜の作製技術関連、その他、オゾン酸化を用いる半導体製造プロセス技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体分野において、量産性及び低コスト化の観点から半導体製造プロセス温度の低温化が要求されている。オゾンは強い酸化力を持つことが知られており、半導体製造プロセスの低温化にオゾン技術へ注目が集まっている。一例として、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）素子におけるゲート酸化膜作製（Ｓｉ酸化技術）においては、オゾンを用いることにより、従来１０００℃以上必要だった製膜温度が、４００℃にまで低減可能となっている（特許文献１参照）。ここでオゾンによる強い酸化力は、実際にはオゾン分解の際に生じる原子状酸素（Ｏ*）が担っていることが知られている。
【０００３】
オゾンの分解反応は（１）式によって与えられえる。
【０００４】
Ｏ3→Ｏ*＋Ｏ2  …（１）
オゾンの熱分解が４００℃以上で確率が高いことが、Ｓｉ酸化温度の下限を決めている。オゾン分解は熱以外に光によっても誘起されることが知られている。オゾン分子は２００−３００ｎｍの波長帯に大きな吸収端（ハートリーバンド）を有し、この波長帯の光によって、分解反応が起きる。この光分解を用いることによりＳｉ酸化温度を室温近くまで低減可能としている（特許文献２参照）。室温近くまで低温化が行えることは、オゾン技術が将来、半導体素子の量産化・低コスト化に寄与できるのみならず、フレキシブル・ディスプレイ等の次世代機器の製造プロセスへの寄与も多くできることが期待される。
【０００５】
オゾン技術は、以上述べたようなプロセス製膜技術だけでなくエッチング、表面改質、クリーニングなどにも適用可能であり広く利用されることが期待されている。
【特許文献１】特開２００３−２０９１０８号公報（段落０１１７〜０１２３）
【特許文献２】特開２００６−０８０４７４号公報（段落００１１〜００３４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
紫外光を用いてオゾン分解させる場合、オゾンから光分解し生成した励起状酸素原子は、極めて反応性が高いがすぐに失活して酸素になることが知られている（特許公開２００４−０８５４０７号公報参照）。このためオゾン光酸化処理では、紫外光を処理基板表面に当たるような配置で行うのが一般的である。これは対象試料の表面ごく近傍で励起状酸素原子を生成させるためである。一方でこのような光源の配置では、紫外光が基板の表面にも到達する。このとき基板の表面は光吸収により温度上昇が起きているものと推測される。このような表面加熱効果は、酸化速度を決めるのに重要な要因である一方、低温作製の観点からはこの熱が下地の基板に影響を与える懸念が生じる。したがって、基板の表面温度を知ることが、プロセス制御に欠かせない。しかしながら、加熱は基板表面の近傍で起きているために基板内の厚み方向に対して大きな熱勾配があり、従来の温度計を近くに置いた方法では基板の最表面の温度を調べることはできない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、前記課題を解決するための基板表面温度測定方法は酸化処理ガスと光照射とを用いた酸化プロセス系に供されている基板に形成された酸化膜の膜厚の測定結果に基づき基板の表面温度を測定する。酸化処理ガスと光照射とを用いた酸化プロセス系に供されている基板に形成された酸化膜の膜厚は前記基板の最表面温度と相関性を有しているので、前記基板の表面温度を測定できる。評価可能温度範囲は室温〜１０００℃と幅広い。また、測定された膜厚の分布によって基板の表面方向の温度分布を把握できるので基板表面方向の空間分解能が得られる。
【０００８】
前記基板表面温度測定方法において、前記酸化膜の膜厚の測定法としては楕円偏光解析法またはＸ線光電子分光法が例示される。前記酸化処理ガスは酸素ガスに例示される酸化性ガスである。
【０００９】
前記基板表面温度測定方法においては、前記膜厚測定に用いる装置をチャンバ内に設けると、酸化プロセス中のその場で表面温度を測定できる。
【００１０】
前記基板表面温度測定方法においては、前記表面温度を測定することでプロセス光照射量のフィードバックをかけることが可能なる。
【００１１】
前記光照射に係る光の周波数は紫外光から可視光の領域であるとすると、基板表面の損傷を引き起こすことなく基板表面温度を測定できる。
【００１２】
前記酸化プロセス系内では基板を中空に配置させると、光が直接当たらない基板表面の表面温度測定に適用できる。
【発明の効果】
【００１３】
したがって、以上の発明によれば酸化処理ガスと光照射を用いた酸化プロセス系に供されている基板の最表面温度を測れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
発明に係る基板表面温度測定方法は光照射された試料の最表面温度を測るにあたり酸化膜の酸化速度と温度の関係に基づき算出する。図１は発明に係る基板表面温度測定の手順を示したフローチャート図である。
【００１５】
先ず、酸化試料を準備する（Ｓ１）。ここでは酸化できるものに限る（例えば、アルミ、Ｓｉなど）。予め洗浄を行い、自然酸化膜を除去する。次に、酸化チャンバ内で光照射を用いた酸化処理を行う（Ｓ２）。前記光照射に係る光の周波数は紫外光から可視光の領域であるとよい。２００ｎｍ以下の波長光は望ましくはない。２００ｎｍ以下の波長光は下地の試料（基板（Ｓｉ））を損傷させる。酸化膜厚の酸化温度依存性を利用して、膜厚から酸化試料の表面温度を知る。つまり、光照射された場所は表面温度に応じた速度で酸化が進行することを利用する。酸化処理を終えたら、膜厚評価する（Ｓ３）。膜厚測定としてはエリプソメーター（楕円偏光解析法）等による光学測定法やＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）等のＸ線測定法があげられる。得られた膜厚を基本データ（リファレンス）と比較する（Ｓ４）。そして、酸化試料の表面温度を推定する。前記リファレンスは光を用いずホットプレート等で加熱された状態で酸化（熱酸化）して得られた酸化膜厚である。熱酸化による酸化膜厚をリファレンスとした理由はホットプレートで加熱された試料は試料内で温度が均一であり、前記試料の表面温度も同じであるとみなさせるからである。以下の紫外光（波長２４８ｎｍ）照射を適用したＳｉ（１００）基板の表面温度を推定した実施例を参照しながら発明の実施形態について説明する。また膜厚測定プローブをチャンバ内に設けることにより、その場測定が可能となる。その場解析により光照射量のフィードバックが可能となる。
【００１６】
（第一の実施形態）
本実施形態ではＫｒＦエキシマレーザー（波長：２４８ｎｍ）照射によるシリコン（１００）の表面温度も求めている。図１の基板表面温度の推定に供される酸化処理用基板としてＳｉ（１００）を準備した。Ｓｉは表面の平坦に優れ、きわめて薄い膜（＜１ｎｍ）でも精密に測定できることから表面温度測定に適する。また、光源のＫｒＦエキシマレーザーは、オゾンを光励起するのに最適な波長を有する光源である。したがって、オゾンの低温酸化に対する表面温度を知ることを想定しており、以下の実施例は光による表面加熱の影響を観測できたというものである。
【００１７】
［１］光酸化処理
図２は発明の実施形態に係る酸化処理装置１の概略構成図である。酸化処理装置１は酸化処理ガス供給装置１１とチャンバ１２と排気ポンプ１３とを備える。図示された矢印はガス流を表す。酸化処理ガス供給装置１１とチャンバ１２とを連結する配管系及びチャンバ１２と排気ポンプ１３とを連結する配管系は室温が望ましい。
【００１８】
酸化処理ガス供給装置１１は酸化処理ガスボンベまたは発生装置である。酸化処理ガスとしては酸素混合ガス等の酸化性ガスが用いられる。実施例では純度１００％の酸素ガスを使用した。リファレンスでも熱酸化に酸素１００％ガスが用いられ熱酸化速度が算出されているからである。酸素濃度は酸化速度に影響を与えるのでそろえる必要がある。
【００１９】
チャンバ１２は図３に示されたように酸化処理に供される基板２０を格納する。チャンバ１２には酸化処理ガス供給装置１１から酸化処理ガスが供給される配管２１と排気ポンプ１３によって吸引されたガスが排出される配管２２が接続されている。配管２１，２２の態様は特開２００６−０８０４７４に開示された光励起オゾン酸化に係る酸化膜形成装置の配管系に準ずればよい。チャンバ１２内の基板２０はサセプタ２３上に載置される。サセプタ２３は移動機構２４によってチャンバ１２内を移動できるようになっている。移動機構２４は半導体製造技術に採用される基板の移動手段を適用すればよい。
【００２０】
チャンバ１２には圧力計２５が具備される。圧力計２５は圧力範囲が０．１Ｐａ−１０００００Ｐａである仕様のものが採用される。
【００２１】
また、チャンバ１２の天井部には紫外線の光源２６から発せされた紫外光を導入するための照射窓２７が設けられている。照射窓２７は光源２４の光を透過する材料から成る。実施例では光源２４としてＫｒＦエキシマレーザーが適用されているので、２００ｎｍ−３００ｎｍの波長帯の光を透過する材料からなるもの（例えば合成石英）が用いられる。尚、光源２６の光は基板２０表面に照射されるように設定されるのであれば、光源２６はレーザータイプに限定されずランプタイプのものでもよい。
【００２２】
排気処理対応のために、チャンバ１２の材質は、アルミ金属、ＳＵＳ金属または石英ガラスによる真空対応のものに限定される。また、減圧の際、チャンバ１２の材質から汚染物質を排出しないようチャンバ１２内の表面は電界研磨処理等の加工処理が施される。
【００２３】
図４は基板表面の酸化処理に供される酸化処理ガス（酸素）のガス流と紫外光の照射領域の位置関係を示した斜視図である。図示された矢印は酸化処理ガス流の方向を示す。光源の光波長は２００ｎｍ以上のものを用いる。Ｓｉ基板にダメージを与えないためである。照射方式は連続光方式、パルス光方式のいずれに限定されない。実施例では、光源２６には例えばＫｒＦエキシマレーザー（波長：２４８ｎｍ）が使用される。光源２６からの紫外光は例えば照射面積１ｃｍ×２０ｃｍの照射領域２８のように長方形状に照射される。酸化処理ガスのガス流は照射領域２８の長辺と垂直方向となるように制御される。基板２０及びサセプタ２３は大きさが８インチウエハに対応できるものが使用される。
【００２４】
［２］酸化膜厚測定
酸化処理ガスによって基板２０に形成される酸化膜の膜厚測定法はリファレンスと整合できれば特に限定しない。例えば、Ｓｉ（１００）基板のＳｉＯ2膜の場合、膜厚２ｎｍの場合は分光エリプソメーターを用いた楕円偏光解析法、膜厚２ｎｍ以下の場合はＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）を用いる。
【００２５】
図５はＳｉ（１００）を酸化した試料のＸＰＳの測定結果を示した特性図である。膜厚２つの場合について測定しており、分光エリプソメーター（ＳＯＰＲＡ製  ＧＥＳＰ５  ）で測定した膜厚３．１ｎｍ、４．９ｎｍに対し、それぞれのＸＰＳ測定装置（ＰＨＩ製  ＥＳＣＡ ｍｏｄｅｌ ５８００）の測定データの曲線形が異なる。具体的にはＳｉと記した９９ｅＶ付近のピーク強度とＳｉ4+（ＳｉＯ2）と記したピーク強度との比が異なる。一般に、膜が厚くなる程Ｓｉ4+（ＳｉＯ2）のピーク強度が増加する。このように強度比から膜厚を求めることができる。また、本実施例では表面温度が５００℃以下の範囲を対象にしたので、評価用酸化膜が薄い（＜１ｎｍ）のでＸＰＳの測定結果によって膜厚を求めた。
【００２６】
［３］リファレンス
発明に係る基板表面温度測定法では温度推定にリファレンスデータが必要である。Ｓｉ（１００）の酸化速度は古くから研究されておりリファレンスが得やすい。図６はＳｉ基板の熱酸化時間に対する膜厚を示した特性図である。同じ熱酸化時間でも温度ごとに膜厚が異なる。図７は酸化時間が１時間に固定された場合の基板の温度と前記基板に形成されている酸化膜の膜厚の関係を示した特性図である。この特性図に示されたように低温域のデータは高温域のデータからの延長線で予想できる。実施例では６００℃以下の温度域のデータを用いた。また、図６ではＳｉ（１００）の酸化膜厚の他にＳｉ（１１１）の酸化膜厚の結果（破線）が開示されている。同一の温度でもＳｉ（１００）基板とＳｉ（１１１）基板とでは形成されている酸化膜の膜厚が異なる。したがって、ＳｉウエハでもＳｉ基板の結晶方位面が同一のもの（実施例ではＳｉ（１００））を使用することが重要である。
【００２７】
［４］Ｓｉ低温酸化での適用例
Ｓｉ基板（１００）に対してＳｉＯ2製膜したプロセスから表面加熱温度を用いる。
【００２８】
図３に示された光源２６には以下の仕様のＫｒＦエキシマレーザーを用いた。
【００２９】
波長  ２４８ｎｍ
繰り返し周波数  １５−１００Ｈｚ
照射パルス時間  〜１０ｎｓ
照射強度  １００−５ｍＪ／ｃｍ2
照射面積  １ｃｍ  ×  ３−２０ｃｍ
光源２６からＫｒＦ光をチャンバ１２（容積〜５０００ｃｍ3）に入射する。酸素ガスは、前記ＫｒＦ光の光路に対して垂直方向に流れるように制御した。チャンバ１２に供給された酸素ガスは紫外光の光路を通過して排気される。チャンバ１２の壁は室温に保持された。基板２０及びサセプタ２３は室温に保持した。光酸化処理に用いた酸素ガスは〜１００％濃度を使用した。膜厚はＸＰＳ測定装置（ＰＨＩ製  ＥＳＣＡ ｍｏｄｅｌ ５８００）を用いて評価した。
【００３０】
［５］結果
（１）リファレンス
図８は熱酸化での実施例を示したものである。２０℃、１５０℃、３２０℃の温度のもとで１時間酸化した場合のＳｉ（１００）基板に対するＸＰＳによる膜厚の評価結果を示した特性図である。試料の加熱温度の増加に伴い形成されている酸化膜の膜厚が増えており、ＸＰＳによって膜厚評価ができているとみなせる。
【００３１】
（２）光照射エネルギー依存性
図９は光照射の入射エネルギーに対するＳｉ（１００）基板の表面温度依存性を示した特性図である。下地の基板は加熱なし（室温）、酸化時間は１時間である。照射エネルギーの増加に伴い表面温度は上昇する。また、表面温度は室温よりもはるかに高い温度を示しており、このことから光吸収にともなう表面の局所加熱効果が起きていることが実証された。
【００３２】
（３）照射位置依存性
図１０はＳｉ（１００）基板Ｂ上の一部に光を照射した場合の表面温度の分布を示した特性図である。横軸は照射領域Ｉの一端側からの距離Ｒを示す。横軸０ｍｍが光照射を受けた場所を意味し、距離Ｒが増えるほど、照射領域Ｉから遠い場所であることを意味する。
【００３３】
図１０に示された測定結果によると、基板Ｂの表面温度Ｔは照射領域Ｉで最も高く、照射領域Ｉの一端から離れるにつれて表面温度Ｔが低くなることが確認できる。但し、照射領域Ｉの一端からの距離Ｒが１５ｍｍの場所でも表面温度Ｔがベースの室温よりも遥かに高い。これは照射領域Ｉから熱が拡散しているためと考えられる。このように基板表面の温度分布を測ることができることが確認された。
【００３４】
以上述べた実施例から本実施形態に係る基板表面温度測定法によれば基板の再表面温度を測れることが明らかである。
【００３５】
（第二の実施形態）
本実施形態に係る基板表面温度測定法は光照射された領域の裏面の表面温度を測る。本測定法は試料準備工程及び酸化処理工程以外は図１の第一の実施形態に係る測定法と同じである。
【００３６】
図１１は本実施形態に係る基板表面温度測定に供される試料の配置形態を示した斜視図である。先ず準備する評価試料は光が当たる面の裏面に酸化膜が形成できる材質が析出しているもの（例えば両面研磨Ｓｉウエハ、Ｓｉ層体積ガラスなど）である。これは光が当たらない面の酸化速度を調べることで裏面の温度を知るためである。また、評価試料は照射光が裏面まで透過しない材料から成るものに限る。なぜなら照射光が透過してしまうと試料裏面の酸化する材質で光吸収が起きてしまうためである。
【００３７】
したがって、本実施形態における光酸化の形態は図１１に示したように評価試料３０が中空に配置された状態となっている。すなわち、評価試料３０がジグ３１によってサセプタ２３から浮いた状態で保持されている。ジグ３１は系を汚さないクリーンな材質からなり、評価試料３０の熱をサセプタ２３に伝えない断熱材が望ましい。例えば前記材質としては合成石英を挙げることができる。評価試料３０はサセプタ２３から浮いた状態となっているので、酸化処理ガスが点線で示した光照射領域の評価試料３０の裏面にも迂回してくるようになっている。したがって、評価試料３０の表面に酸化膜３ａが形成されるばかりでなくその裏面にも前記酸化処理ガスによって酸化膜３０ｂが形成される。そして、酸化膜３０ｂの膜厚を測定することにより、前記裏面の表面温度を知ることが可能となる。
【００３８】
以上のように本実施形態の基板表面温度測定方法は低温酸化技術において基板の下地の熱ダメージを調べるのに有用な手法となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】発明に係る基板表面温度測定の手順を示したフローチャート図。
【図２】発明の実施形態に係る酸化処理装置の概略構成図。
【図３】酸化処理チャンバの概略構成図。
【図４】酸化処理ガスのガス流と紫外光の照射領域の位置関係を示した斜視図。
【図５】Ｓｉ（１００）を酸化した試料のＸＰＳの測定結果を示した特性図。
【図６】Ｓｉ基板の熱酸化時間に対する膜厚を示した特性図。
【図７】酸化時間が１時間である場合の基板の温度と前記基板に形成されている酸化膜の膜厚の関係を示した特性図。
【図８】２０℃、１５０℃、３２０℃の温度のもとで１時間酸化した場合のＳｉ（１００）に対するＸＰＳによる膜厚の評価結果を示した特性図。
【図９】光照射の入射エネルギーに対するＳｉ（１００）の表面温度依存性を示した特性図。
【図１０】Ｓｉ（１００）基板上の一部に光を照射した場合の表面温度の分布を示した特性図。
【図１１】発明の第二の実施形態に係る基板表面温度測定に供される試料の配置形態を示した斜視図。
【符号の説明】
【００４０】
１…酸化処理装置
１１…酸化処理ガス供給装置、１２…チャンバ、１３…排気ポンプ
２０…基板、２１，２２…配管、２３…サセプタ、２４…移動機構、２５…圧力計、２６…光源、２７…照射窓
２８…照射領域
３０…評価試料、３１…ジグ、３０ａ，３０ｂ…酸化膜
【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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