(57)【要約】【課題】本発明は、半導体プロセスに影響することがなく、再生可能なダミーウェーハを用い、簡易に膜厚測定を行うことが可能な膜厚測定方法、気相成長装置および膜厚測定装置を提供する。【解決手段】本発明の膜厚測定方法は、ＳｉＣダミーウェーハの表面に、所定条件で被膜を形成し、被膜をエッチングし、ＳｉＣダミーウェーハの所定位置において、ＳｉＣダミーウェーハ表面が露出するまでのエッチング時間を測定し、測定されたエッチング時間より、所定位置における被膜の膜厚を得ることを特徴とする。【選択図】図１
2009043900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣダミーウェーハの表面に、所定条件で被膜を形成し、
前記被膜をエッチングし、
前記ＳｉＣダミーウェーハの所定位置において、前記ＳｉＣダミーウェーハ表面が露出するまでのエッチング時間を測定し、
測定された前記エッチング時間より、前記所定位置における前記被膜の膜厚を得ることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項２】
前記所定条件は、半導体製造工程において、Ｓｉウェーハ表面にＳｉエピタキシャル膜を形成する条件であることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定方法。
【請求項３】
予め、同じ条件でＳｉウェーハ表面に形成されるＳｉエピタキシャル膜の膜厚と、ＳｉＣダミーウェーハ表面に形成されるポリシリコン膜の膜厚との相関を取ることを特徴とする請求項２に記載の膜厚測定方法。
【請求項４】
ＳｉＣダミーウェーハの表面に形成される被膜の膜厚を前記請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の膜厚測定方法によって測定し、その測定情報に基づいて、Ｓｉウェーハ上にエピタキシャル膜を形成する条件を調整することを特徴とする気相成長方法。
【請求項５】
表面に被膜が形成されたＳｉＣダミーウェーハを載置するためのステージと、
前記被膜上にエッチャントを供給するためのエッチャント供給機構と、
前記ＳｉＣダミーウェーハの所定位置において、前記被膜がエッチングされてＳｉＣダミーウェーハ表面が露出するまでの時間を測定するための測定機構を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項６】
前記測定機構は、ＳｉＣダミーウェーハ表面の露出を反射光により検出するものであることを特徴とする請求項５に記載の膜厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＳｉウェーハ上にエピタキシャル膜を形成する際に、成膜条件、成膜状態などを調整、制御するために用いられる膜厚測定方法、気相成長方法および膜厚測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の微細化に伴い、成膜工程における高い膜厚制御性が要求されている。そのため、例えばエピタキシャル成長に用いられるＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置などの成膜装置においては、要求される膜厚を得るための条件出し、膜厚分布の調整、ＱＣ（Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）チェックのために、膜厚測定が行われる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような膜厚測定においては、先ず、例えばＮ＋、Ｐ＋などのＳｉウェーハを用いて、実際に所定の条件でエピタキシャル膜を形成し、ＦＴ−ＩＲ（Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）など赤外線干渉法などを用いて、光学的に非接触で膜厚を測定する手法が採られている。
【０００４】
このような手法によれば、測定にはＳｉウェーハが用いられるため、形成されたエピタキシャル膜のみを除去することは困難である。従って、膜厚測定に用いられたＳｉウェーハは、再生されることなく廃棄されており、コストダウンを図る上で、少しでも廃棄ウェーハ量を低減したいという要求がある。
【０００５】
そこで、再生可能なダミーウェーハを用いることが検討されている。半導体製造工程に用いられるダミーウェーハとしては、成膜温度が９００〜１２００℃と高温であることから、高温安定性が高く、ウェーハ、成膜装置内の汚染抑制のため、汚染源となる焼結助剤をふくまない清浄度が高いものであることが必要である。また、繰り返し硝酸処理により被膜除去するため、耐酸性が高く、さらに繰り返し使用に耐える強度が必要である。加えて、比較的安価であることも必要である。しかしながら、これまでこれらの要求を全て満たすダミーウェーハが得られていないという問題がある。
【０００６】
近年、このようなダミーウェーハとして、ＳｉＣ焼結体からなるダミーウェーハが注目されている（例えば、特許文献２参照）。そして、シリコン含浸技術などにより、その特性が向上し（例えば、特許文献３参照）、上述のような特性が要求される半導体製造工程においても適用できることが期待される。しかしながら、未だエピタキシャル膜の膜厚測定に用いられるには至っていない。
【特許文献１】特開平４−１３０７４７号公報
【特許文献２】特開平１０−１６３０７９号公報
【特許文献３】特開２００７−２２９１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、Ｓｉウェーハを用いて膜厚測定を行うと、再生ができないため、コストダウンが困難であるという問題がある。
【０００８】
本発明は、半導体プロセスに影響することがなく、再生可能なダミーウェーハを用い、簡易に膜厚測定を行うことが可能な膜厚測定方法、気相成長方法および膜厚測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の膜厚測定方法は、ＳｉＣダミーウェーハの表面に、所定条件で被膜を形成し、被膜をエッチングし、ＳｉＣダミーウェーハの所定位置において、ＳｉＣダミーウェーハ表面が露出するまでのエッチング時間を測定し、測定されたエッチング時間より、所定位置における被膜の膜厚を得ることを特徴とする。
【００１０】
この本発明の膜厚測定方法において、さらに、所定条件は、Ｓｉウェーハ上にＳｉエピタキシャル膜を形成する条件であることが望ましい。
【００１１】
この本発明の膜厚測定方法において、さらに、予め、同じ条件でＳｉウェーハ表面に形成されるＳｉエピタキシャル膜の膜厚と、ＳｉＣダミーウェーハ表面に形成されるポリシリコン膜の膜厚との相関を取ることが望ましい。
【００１２】
また、本発明の気相成長方法は、ＳｉＣダミーウェーハの表面に形成される被膜の膜厚を上述の膜厚測定方法によって測定し、その測定情報に基づいて、Ｓｉウェーハ上にエピタキシャル膜を形成する条件を調整することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の膜厚測定装置は、表面に被膜が形成されたＳｉＣダミーウェーハを載置するためのステージと、被膜上にエッチャントを供給するためのエッチャント供給機構と、ＳｉＣダミーウェーハの所定位置において、被膜がエッチングされてＳｉＣダミーウェーハ表面が露出するまでの時間を測定するための測定機構を備えることを特徴とする。
【００１４】
この本発明の膜厚測定装置において、測定機構は、ＳｉＣダミーウェーハ表面の露出を反射光により検出するものであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の膜厚測定方法、膜厚測定装置を用いることにより、半導体プロセスに影響することがなく、再生可能なダミーウェーハを用い、簡易に膜厚測定を行うことが可能となる。
【００１６】
また、本発明の気相成長方法によれば、簡易に成膜条件の最適化を行うことが可能となる。
【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、図を参照して説明する。
【００１８】
図１に本実施形態の半導体製造工程における膜厚測定方法のフローチャートを示す。先ず、予め表面が鏡面加工されたＳｉＣダミーウェーハを、成膜装置である気相成長装置（図示せず）に投入し、ＳｉＣダミーウェーハ上に被膜として、例えば数μｍ〜１５０μｍ程度のポリシリコン膜を形成する（ステップ１）。このとき、成膜条件は、Ｓｉウェーハ上にＳｉエピタキシャル膜を形成する条件、例えば、キャリアガス：Ｈ２を２０〜１００ＳＬＭ、成膜ガス：ＳｉＨＣｌ３を５０ｓｃｃｍ〜２ＳＬＭ、ドーパントガス：Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３を微量として、反応炉内の圧力を例えば１３３３Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）〜常圧に制御し、ＳｉＣダミーウェーハの温度を９００〜１２００℃とする。
【００１９】
ＳｉＣダミーウェーハにおいては、実際に半導体装置が形成されるＳｉウェーハと比して、熱伝導率、熱膨張係数に若干の差異はあるものの、ほぼ同じ温度分布が得られる。従って、同じ成膜条件で、被膜を形成したとき、多結晶成長かエピタキシャル成長かの違いはあるものの、膜厚およびその分布には相関が得られる。この相関を用いて、ＳｉＣダミーウェーハ上に形成されたポリシリコン膜の膜厚を測定することにより、同じ条件でのＳｉウェーハ上のエピタキシャル膜の膜厚およびその分布の情報を得ることができる。そこで、ポリシリコン膜の膜厚を測定するために、上述の条件でポリシリコン膜が形成されたＳｉＣダミーウェーハｗを、図２に示すような膜厚測定装置に投入する（ステップ２）。
【００２０】
図２に示すように、膜厚測定装置には、ＳｉＣダミーウェーハｗを載置するためのステージ１１と、ポリシリコン膜上にエッチャントを供給するためのエッチャント供給機構として、薬液供給ノズル１２が設置されている。そして、ＳｉＣダミーウェーハｗ表面が露出するまでの時間を測定するために、発光素子（図示せず）および受光素子（図示せず）を備えた測定機構１３が設置されている。
【００２１】
そして、ノズル１２と測定機構１３には、ＳｉＣダミーウェーハｗの所定位置に、薬液を供給し、薬液の供給された領域の反射率を測定するために、薬液供給・測定位置を制御するための位置制御機構１４と、薬液供給ノズルから供給される薬液流量を制御するための薬液制御機構１５が設置されている。ステージ１１下部には、必要に応じて、測定後にポリシリコン膜を除去するために薬液を供給しながらＳｉＣダミーウェーハｗを回転させるための回転制御機構１６と、薬液を排出するための排出口１７が設置されている。
【００２２】
ＳｉＣダミーウェーハｗを、成膜装置より搬送する際には、カセット１８が用いられる。そして、カセット１８よりＳｉＣダミーウェーハｗを搬出し、ステージ１１に搬送し、処理後のＳｉＣダミーウェーハｗをカセット１８に搬入するための搬送アーム１９ａを備えた搬送ロボット１９が設けられ、これを制御するための搬送制御機構２０と接続されている。
【００２３】
このような膜厚測定装置を用いて、以下のようにポリシリコン膜の膜厚が測定される。先ず、カセット１８内のＳｉＣダミーウェーハｗを、搬送ロボット１９の搬送アーム１９ａを用いて、ステージ１１上に載置する（ステップ３）。そして、薬液供給ノズル１２の位置を制御し(ステップ４)、薬液供給ノズル１２より、所定の位置に所定濃度、所定量の例えば硝酸あるいは弗硝酸またはこれらの混合液などの薬液を供給する（ステップ５）。薬液供給とともに、発光素子より例えばレーザ光を照射し、受光素子により反射光を検出するステップ（ステップ６）を、ＳｉＣダミーウェーハｗが露出するまで繰り返す。そして薬液を供給してから、ＳｉＣダミーウェーハｗが露出するまでの時間（エッチング時間）を測定する（ステップ７）。
【００２４】
図３ａ〜図３ｅに反射光検出によるエッチング時間測定の概念図を示す。図３ａに示すように、ＳｉＣダミーウェーハｗ上に形成されたポリシリコン膜２１は、硝酸２２が滴下されると、例えば１分後の状態を図３ｂ、２分後の状態を図３ｃに示すように、徐々にエッチングが進行する。このとき、レーザ光２３を照射しても、ポリシリコン膜２１により散乱され、反射光はほとんど検出されない。そして、図３ｄに示すように、エッチングが進行し、例えば３分後にＳｉＣダミーウェーハｗ表面に到達すると、ＳｉＣダミーウェーハｗＳｉ基板上のＳｉエピタキシャルと異なり、ポリシリコンとのエッチング選択比が十分大きいため、エッチングの進行が止まる。そして、露出したＳｉＣダミーウェーハｗ表面は、鏡面加工されているため、高い強度の反射光２４が検出される。また、図３ｅに示すように、膜厚が厚い部分においては、ポリシリコン膜２１のエッチング時間が長くなり、例えば４分後にＳｉＣダミーウェーハｗ表面に到達する。
【００２５】
エッチング時間とポリシリコン膜の膜厚は相関があるため、エッチング時間を測定することにより、ポリシリコン膜の膜厚を測定することが可能となる。そして、測定結果が表示されるとともに（ステップ８）、半導体製造工程にフィードバックされる。
【００２６】
このようにして、必要に応じて、複数箇所の膜厚測定を行う。そして、膜厚測定終了後、薬液供給ノズル１２より、ＳｉＣダミーウェーハｗ上に硝酸などの薬液を供給しながら、回転制御機構１６によりＳｉＣダミーウェーハｗを回転させることにより、ポリシリコン膜を全て剥離する。このとき、必要に応じてリンスを行う。
【００２７】
ポリシリコン膜が剥離されたＳｉＣダミーウェーハｗは、膜厚測定装置より搬出される。そして、カセット１８’に搬入され、必要に応じてリンス後、再利用される。
【００２８】
このようにして測定されたＳｉＣダミーウェーハｗ上のポリシリコン膜の膜厚に基づき、同じ条件でのＳｉウェーハ上のエピタキシャル膜の膜厚およびその分布の情報が得られる。そして、その情報に基づき、要求膜厚への合わせ込みを含む成膜条件の最適化などが行われる。
【００２９】
例えば、図４に成膜条件の最適化のフローチャートを示すように、気相成長装置（図示せず）を用いて、所定の条件でＳｉＣダミーウェーハｗ上にポリシリコン膜を形成する（ステップ１１）。上述の手法により、ＳｉＣダミーウェーハｗ面内の複数の位置においてポリシリコン膜の膜厚を測定する（ステップ１２）。測定されたポリシリコン膜の膜厚を、Ｓｉウェーハ上のエピタキシャル膜の膜厚に換算する（ステップ１３）。そして、エピタキシャル膜の膜厚および分布が規定範囲内でない場合、気相成長装置におけるヒータ出力などの成膜条件を調整し（ステップ１４）、調整された条件で、再度ＳｉＣダミーウェーハｗ上にポリシリコン膜を形成する。これらの工程を、エピタキシャル膜の膜厚および分布が規定範囲内となるまで繰り返す。
【００３０】
このようにして成膜条件の最適化を行い、最適化された条件でＳｉウェーハ上にＳｉエピタキシャル膜が形成される。さらに、素子領域、配線などが形成され、後工程を経て半導体装置が形成される。また、随時ＱＣチェックのため、ＳｉＣダミーウェーハを用いて同様に膜厚が測定される。
【００３１】
このような膜厚測定装置は、ＳｉＣダミーウェーハ表面の露出をレーザ光の反射光により検出するとともに、その検出までの時間を測定する簡易な構成により、ＦＴ−ＩＲ等の膜厚測定で使用される精密な波長測定機器等を必要とすることなく、安価で高精度な膜厚測定が可能である。
【００３２】
本実施形態において、ＳｉＣダミーウェーハｗ上のポリシリコン膜のエッチングに、硝酸滴下によるウェットエッチングを用いたが、ウェットエッチングに限定されるものではなく、ドライエッチングでも可能であり、特に膜厚が１００μｍ以上となる場合好ましい。そして、異方性エッチングを用いた場合、ＳｉＣダミーウェーハｗ上のポリシリコン膜は、全面で膜厚方向にエッチングされるが、複数の受光素子、イメージセンサなどを用いて、経時的に所定位置の反射率を測定することにより、面内の膜厚分布を得ることが可能となる。そして、ドライプロセスでの測定であるため、測定系を成膜装置に併設することにより、ハンドリングなく膜厚を測定することが可能である。
【００３３】
また、本実施形態において、ＳｉＣダミーウェーハを用いているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、ガラス状カーボンなど、Ｓｉ以外のウェーハで、高温安定性、清浄度、耐酸性、強度が高く、比較的安価な基板であれば用いることが可能である。また、その特性から、シリコン含浸ＳｉＣを用いたものが好ましい。さらに、酸化還元雰囲気でも安定な表面コーティングを施したものであってもよい。
【００３４】
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、Ｓｉウェーハ上に形成されるエピタキシャル膜の形成の場合を説明したが、ポリシリコン膜の形成の場合においても適用することができる。また、ＧａＡｓ、サファイアなどの化合物半導体基板上に形成される、例えばＧａＡｓ層、ＧａＡｌＡｓ層やＩｎＧａＡｓ層、ＧａＮ層などの半導体層形成の場合にも適用可能である。また、ＳｉＯ２膜やＳｉ３Ｎ４膜などの絶縁膜の形成の場合においても適用可能である。その他要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一態様による膜厚測定方法のフローチャート。
【図２ａ】本発明の一態様における膜厚測定装置を示す上面図。
【図２ｂ】本発明の一態様における膜厚測定装置を示す断面図。
【図３ａ】本発明の一態様における反射光検出によるエッチング時間測定の概念図。
【図３ｂ】本発明の一態様における反射光検出によるエッチング時間測定の概念図。
【図３ｃ】本発明の一態様における反射光検出によるエッチング時間測定の概念図。
【図３ｄ】本発明の一態様における反射光検出によるエッチング時間測定の概念図。
【図３ｅ】本発明の一態様における反射光検出によるエッチング時間測定の概念図。
【図４】本発明の一態様による成膜条件の最適化のフローチャート。
【符号の説明】
【００３６】
１１…ステージ、１２…ノズル、１３…測定機構、１４…位置制御機構、１５…薬液制御機構、１６…回転制御機構、１７…排出口、１８、１８’…カセット、１９…搬送ロボット、２０…搬送制御機構、２１…ポリシリコン膜、２２…硝酸、２３…レーザ光、２４…反射光。
【図１】
2009043900.tif 000003
【図２ａ】
2009043900.tif 000004
【図２ｂ】
2009043900.tif 000005
【図３ａ】
2009043900.tif 000006
【図３ｂ】
2009043900.tif 000007
【図３ｃ】
2009043900.tif 000008
【図３ｄ】
2009043900.tif 000009
【図３ｅ】
2009043900.tif 000010
【図４】
2009043900.tif 000011