JP2002294461A - 薄膜の膜厚モニタリング方法及び基板温度測定方法 - Google Patents
薄膜の膜厚モニタリング方法及び基板温度測定方法Info
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Abstract
厚をモニタリングできる膜厚モニタリング方法を提供す
る。 【解決手段】CVD装置を用いて反応炉(石英チュー
ブ)11内の基板16上に薄膜18を形成する際に、反
応炉11内からの放射光を反応炉外部にて測定し、放射
光の放射率の変化と、基板16上に形成される薄膜18
の膜厚変化との関係を予め取得する第1工程と、この第
1工程の後、CVD装置を用いて基板16上に薄膜18
を形成する際に、前記放射率の変化を測定する第2工程
と、第1工程にて取得した放射率の変化と薄膜18の膜
厚変化との関係より、第2工程にて測定した放射率の変
化から、形成された薄膜18の膜厚を推定する第3工程
とを有する。
Description
応炉内における基板上薄膜の膜厚をin-situ(その場)
でモニタリングする膜厚モニタリング方法、及び拡散炉
内における基板温度測定方法を用いた、薄膜の膜厚制御
に関するものである。
膜厚をin-situ(その場)でモニタリングする、従来の
膜厚モニタリング方法(第1の従来技術)について説明
する。
CVD(Chemical Vapor Deposition)装置を用いた、
半導体基板(ウェハ)上への薄膜の形成が行われてい
る。
要であり、このCVD装置による薄膜形成時において
は、in-situ(その場)で膜厚をモニタリングする方法
は存在していない。そこで、現状では、テスト用のウェ
ハを同時にまたは連続して成膜し、そのテストウェハを
取り出して、別途、膜厚測定装置により膜厚を測定する
という方法を用いるのが一般的である。
定方法(第2の従来技術)について説明する。
炉(熱処理炉)内の基板温度を測定するには、基板から
の放射光をグラスファイバで取り出し、放射温度計で測
定する方法がある。枚葉型の熱処理炉では、この方法を
用いた温度測定が可能である。
1の従来技術では、成膜中にin-situで膜厚を知ること
はできず、膜厚を確認できるのが成膜後であるため、成
膜時に何らかの要因で目標とする膜厚と異なる膜厚に成
膜されるようなトラブルが存在する場合でも、前もって
異なる膜厚に成膜されることを回避できない。
れたものであり、CVD装置の反応炉内における基板上
薄膜の膜厚をin-situでモニタリングできる膜厚モニタ
リング方法を提供することを目的とする。
ート酸化膜の形成に用いられるバッチ式の拡散炉におい
ては、半導体素子を製造する基板の上下にダミー基板を
設置するため、基板からの放射光をグラスファイバで取
り出すことは実用上不可能である。
れたものであり、バッチ式の拡散炉内で基板温度を測定
できる基板温度測定方法を提供することを目的とする。
でin-situで膜厚をモニタリングすること、または拡散
炉内での基板温度の測定を可能にすることにより、薄膜
の膜厚制御を可能にするという共通の課題を達成するも
のである。
に、この発明に係る第1の膜厚モニタリング方法は、C
VD装置を用いて反応炉内の基板上に薄膜を形成する際
に、前記反応炉内からの放射光を反応炉外部にて測定
し、前記放射光の放射率の変化と、前記基板上に形成さ
れる薄膜の膜厚変化との関係を予め取得する第1工程
と、前記第1工程の後、前記CVD装置を用いて基板上
に薄膜を形成する際に、前記放射率の変化を測定する第
2工程と、前記第1工程にて取得した放射率の変化と薄
膜の膜厚変化との関係より、前記第2工程にて測定した
放射率の変化から、形成された薄膜の膜厚を推定する第
3工程とを具備する。
明に係る第2の膜厚モニタリング方法は、反応炉内に反
応ガスを供給することで反応炉内壁に薄膜が形成された
後、前記反応炉内にエッチングガスを供給して前記薄膜
をエッチングする際に、前記反応炉内からの放射光を反
応炉外部にて測定し、前記放射光の放射率の変化と、前
記反応炉内壁上の薄膜の膜厚変化との関係を予め取得す
る第1工程と、前記第1工程の後、前記反応炉内に反応
ガスを供給し反応炉内壁に薄膜を形成した後、前記反応
炉内にエッチングガスを供給して前記薄膜をエッチング
する際に、前記放射率の変化を測定する第2工程と、前
記第1工程にて取得した放射率の変化と薄膜の膜厚変化
との関係より、前記第2工程にて測定した放射率の変化
から、エッチオフされるタイミングを推定する第3工程
とを具備する。
明に係る基板温度測定方法は、バッチ式の拡散炉内に配
置された複数の基板のうち、温度測定対象の基板の温度
を選択的に測定する基板温度測定方法であって、一方の
先端部に斜面を有し、この斜面と反対側の前記先端部側
面に平坦面を有する、円柱棒状のグラスファイバを、前
記平坦面が前記温度測定対象の基板の側面に対向するよ
うに配置する工程と、前記基板の側面から放射される光
を、前記平坦面からグラスファイバ内に取り込み、前記
斜面で反射させてグラスファイバの他方の先端部に導く
工程とを具備する。
実施の形態について説明する。以下説明に際し、全図に
わたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
施の形態のCVD装置における膜厚モニタリング方法に
ついて説明する。
ング方法に用いられるCVD装置の構成を示す図であ
る。この図に示すCVD装置は、縦型のLPCVD装置
である。
は、石英チューブ11を有する反応炉、シールキャップ
12、放射温度計(パイロメータ)13、ヒータ14を
備えている。反応炉上部の石英チューブ11上には、導
入管15を介して放射温度計13が設置されている。石
英チューブ11の側面及び上面上には、ヒータ14が設
置されている。さらに、反応炉内の中央付近のシールキ
ャップ12上には、複数枚の半導体基板(ウェハ)16
を保持するボートロッド17が載置されている。
チューブ11上に設置された放射温度計13近傍の拡大
図である。放射温度計13と石英チューブ11との間に
は、筒状の導入管15が設けられている。導入管15
は、石英チューブ11内部から放射される放射光を放射
温度計13に導くためのものであり、石英チューブ11
内部以外の周囲から来る光を遮断する働きも持つ。
16上に形成する薄膜の膜厚モニタリング方法を述べ
る。
タ14などからの光による影響、つまり迷光による影響
を防ぐため、筒状の導入管15により、石英チューブ1
1内部からの光19が放射温度計13へ導かれるように
なっている。これにより、放射温度計13は、石英チュ
ーブ11内部からの放射率のみを測定できる。
上に薄膜18を堆積していく。すると、ウェハ16上へ
の薄膜18の成膜が進行していくのと同時に、石英チュ
ーブ11内壁にも同様に薄膜18が付着していく。
内部の放射率を、放射温度計13にて測定すると、石英
チューブ11内壁に、薄膜18が付着していくにつれ
て、放射温度計13から見た石英チューブ11内部の放
射率が変化していく。これは、石英チューブ11内壁に
付着した薄膜18によって、反応炉内部からの光が透過
しにくくなるからである。
透過した光19の各波長における放射率の変化と、ウェ
ハ16上の薄膜18の膜厚変化との関係を予め調べてお
く。
計13にて放射率の変化を読み取り、予め調べた放射率
と膜厚との関係より、ウェハ16上の薄膜18の膜厚を
推定する。これにより、薄膜成膜時において、ウェハ上
の薄膜の膜厚をin-situでモニタリングすることができ
る。なお、放射温度計13にて測定する光の波長範囲
は、例えば300nm〜13000nm程度である。
ム(Ru)の成膜を行った場合のRu膜の膜厚モニタリ
ング方法を説明する。
につれ、反応炉内壁に、ウェハ16上と同じ膜厚のRu
膜18が付着する。図3は、このときの放射率とウェハ
上のRu膜厚との関係を示すグラフである。縦軸は、反
応炉全体を一つの物質として考え、反応炉内の放射輝度
を炉外から見た場合の放射率である。放射率の測定に
は、単波長(5μm)の放射温度計を用いている。横軸
は、反応炉内に置いたウェハ上のRu膜の膜厚を示す。
厚が厚くなるのに従って、放射率は右下がりのサインカ
ーブを描く。その際、放射率の値とサインカーブの山の
数を把握することにより、反応炉内のRu膜厚、すなわ
ちウェハ上のRu膜の膜厚をモニタリングすることが可
能となる。
温度計を用いた場合を説明したが、多波長の放射温度計
を用いることにより、さらに放射率の測定精度を上げる
ことで、膜厚のモニタリング精度を高めることができ
る。
厚モニタリング方法を用いて、クリーニング対象である
薄膜のエンドポイント(エッチング終了時点)を判断す
る例を述べる。前記ガスクリーニングとは、CVDプロ
セスを行うために反応炉内に反応ガスを供給することで
反応炉内壁に薄膜が形成された後、エッチングガスを供
給して前記薄膜をエッチングするものである。
率と反応炉内壁に形成された薄膜の膜厚との関係を示す
グラフである。
ッチングされ、膜厚が薄くなるのに従って、放射温度計
13から見た石英チューブ11内部の放射率は右上がり
のサインカーブを描く。その際、薄膜成膜時と同様に、
放射率の値とサインカーブの山の数を把握することによ
り、クリーニング時におけるエンドポイントをモニタリ
ングすることが可能となる。ここでは、放射率が0.9
で一定となったところが、薄膜のエンドポイントである
と判断できる。
も、薄膜がエッチオフされた時の放射率と膜厚との関係
を予め把握しておくことで、後にエッチングする際に放
射率を測定することにより、in-situで薄膜のエンドポ
イントを知ることが可能である。
の形態では、予め放射率と膜厚との関係を把握してお
き、CVD装置による薄膜の成膜時において、炉内から
透過してくる光の放射率の変化を放射温度計にて読み取
ることにより、前記放射率と膜厚との関係に基づいて、
in-situ(その場)でウェハ上の薄膜の膜厚をモニタリ
ングすることができる。
反応炉内壁上に形成された薄膜がエッチングされ薄くな
ると、放射率が変化することから、予め放射率と膜厚と
の関係を把握しておき、エッチング時において、炉内か
ら透過してくる光の放射率の変化を放射温度計にて読み
取ることにより、前記放射率と膜厚との関係に基づい
て、in-situでエッチングのエンドポイントをモニタリ
ングすることができる。
の拡散炉内での基板温度測定方法について説明する。
の形態の基板温度測定方法に使用される拡散炉内の構成
を示す断面図である。
半導体基板(ウェハ)22を複数枚保持するボートロッ
ド23が載置されている。石英炉芯管21の炉口にはフ
ランジ24が設置され、石英炉芯管21の周囲にはヒー
タ25が設置されている。さらに、半導体基板22の側
面には、グラスファイバ26の2つある先端部のうち、
一方の先端部が配置され、他方の先端部には放射温度計
27が接続されている。前記グラスファイバ26は、石
英からなる。
ファイバ26を拡大した断面図である。図に示すよう
に、グラスファイバ26の前記一方の先端部には、グラ
スファイバの中心軸に対して45°でカットされた斜面
26Aが形成されている。この斜面26Aは、鏡面処理
されて、光が全反射する面になっている。さらに、グラ
スファイバ26の一方の先端部において、斜面26Aと
反対側の側面には、グラスファイバの中心軸と斜面26
Aの法線を含む面に対して垂直で、かつ平坦、平滑化さ
れた入射面26Bが形成されている。
定対象の半導体基板22の側面に、前記入射面26Bが
対向するように、グラスファイバ26を配置する。これ
により、拡散炉を用いた熱処理時に、半導体基板22の
側面から放射される放射光を、入射面26Bからグラス
ファイバ26に取り込み、斜面26Aで反射させて放射
温度計27に入射させる。このように、半導体基板22
からの放射光を放射温度計27に導くことにより、半導
体基板22の温度を正確に測定できる。
度を測定しつつ、基板温度を制御して、半導体基板上に
薄膜を形成する。この薄膜形成工程では、前記手法にて
測定した基板温度、炉内の圧力、ガス流量を用いて形成
される薄膜の膜厚を計算し、計算値が目標の膜厚になっ
た段階で薄膜形成を終了する。
では、グラスファイバ26の先端部に鏡面の斜面26A
を形成することにより、半導体基板22の側面から放射
される光をグラスファイバ26の斜面26Aで反射させ
て、放射温度計27に導く。これにより、基板温度を正
確に測定することができる。さらに、薄膜形成工程にお
いて、このような基板温度測定方法を用いて基板温度を
測定し、基板温度を正確に制御すれば、形成される薄膜
の膜厚を正確に算出することが可能となり、目標膜厚か
らのずれ量を低減することができる。
の形態の基板温度測定方法に使用される拡散炉内の構成
を示す断面図である。
に使用される拡散炉は、図6に示した第2の実施の形態
の構成に加えて、グラスファイバ26の一方の先端部に
形成された斜面26A上に、空間を空けて不透明石英基
板31を設けたものである。この不透明石英基板31
は、図7に示すように、斜面26Aの一端側に接触さ
せ、他端側は離すように配置すればよい。斜面26Aと
不透明石英基板31との間には空間が存在していれば良
く、その空間は、加工可能な最小の距離、例えば0.2
mm程度とすればよい。その他の構成は、前記第2の実
施の形態における構成と同様であり、同じ符号を付して
その説明は省略する。
バ26の先端部に鏡面状態の斜面26Aを形成しただけ
であるため、拡散炉上部の高温部から放射光の一部(迷
光)がグラスファイバ26に取り込まれ、基板温度の測
定精度が不充分となる場合がある。
スファイバ26の先端部の斜面26A上に不透明石英基
板31を設けている。これにより、拡散炉上部の高温部
からの放射光が不透明石英基板31で散乱し、グラスフ
ァイバ26に取り込まれる量を大幅に減少させることが
できる。この結果、基板温度の測定精度を、前記第2の
実施の形態に比べてさらに向上させることができるた
め、前記第2の実施の形態よりさらに形成される薄膜の
目標膜厚からのずれ量を低減することができる。
6Aに不透明石英基板31が接触してしまうと、斜面2
6Aで放射光の全反射が起こらなくなり、基板温度の測
定精度が上がらなくなってしまう。このため、グラスフ
ァイバ26の斜面26Aと不透明石英基板31とは、接
触しないように間隔を空ける必要がある。
の形態の基板温度測定方法に使用される拡散炉内の構成
を示す断面図である。
に使用される拡散炉は、図7に示した第3の実施の形態
の構成に加えて、ボートロッド23に石英プリズム41
を保持させ、この石英プリズム41を半導体基板22の
下側主面(下面)の下に配置したものである。
のうちの一方の先端部が45度の角度でカットされ、他
方の先端部が直角にカットされている。そして、一方の
先端部において45度にカットされていない面が半導体
基板22の表面に対向するように配置され、他方の先端
部の直角にカットされた面がグラスファイバ26の入射
面26Bに対向するように配置されている。
態が安定した半導体基板22の主面の表面温度を測定で
きるため、基板温度の測定精度を向上させることができ
る。これにより、形成される薄膜の目標膜厚からのずれ
量を低減することができる。なお、ここでは、図8にお
いて基板の下側主面(下面)の温度を測定した例を示し
たが、基板の上側主面(上面)の温度を測定することも
できる。基板の上面の温度を測定するには、石英プリズ
ム41の45度の斜面を上向きに変えればよい。
の形態の基板温度測定方法に使用される拡散炉内の構成
を示す断面図である。
に使用される拡散炉は、図6に示した第1の実施の形態
の構成において、ボートロッド51を中空として、ボー
トロッド51の内部にグラスファイバ26を設置したも
のである。
ァイバ26の一方の先端部には、45度にカットされた
斜面26Aと、この斜面26Aと反対側に形成された入
射面26Bが形成されている。そして、グラスファイバ
26の入射面26Bが、温度測定対象の半導体基板22
の側面に対向するように配置される。なお、ボートロッ
ド51はシリコンカーバイド(SiC)で形成され、内
部が中空になっているため、半導体基板22とグラスフ
ァイバ26の入射面26Bとの間にはSiC層は存在し
ない。
51内部に設けられたグラスファイバ26を用いて、半
導体基板22の側面からの放射光を入射面26Bからグ
ラスファイバ26内に取り込み、前記斜面26Aで反射
させて、放射温度計27に入射させる。この結果、正確
な基板温度を得ることができる。
な基板温度測定方法を用いて基板温度を測定し、基板温
度を正確に制御すれば、形成される薄膜の膜厚を正確に
算出することが可能となり、目標膜厚からのずれ量を低
減することができる。
1の比較例、及び第2の比較例のそれぞれの縦型拡散炉
を用い、750°の温度で水素燃焼酸化を行って、酸化
膜をシリコン半導体基板上に形成した結果について記し
ておく。前記第1の比較例は、基板温度を知るために、
炉内に設置した熱電対にて炉内温度を測定した場合であ
る。第2の比較例は、第3の実施の形態で斜面と不透明
石英基板とを接触させた場合、例えば空間を0.005
mmとした場合である。
内圧力、基板温度あるいは炉内温度、ガス流量から、基
板上の酸化膜の膜厚を計算し、計算値が8nmになった
段階で酸化工程を終了した。
化膜の膜厚を、エリプソメトリーで測定した。その結
果、目標膜厚8nmからのずれ量の大小関係は、第4の
実施の形態<第3の実施の形態<第2、第5の実施の形
態<第2の比較例<第1の比較例であった。いずれの実
施の形態も、目標膜厚8nmからの膜厚ずれ量を±2%
以下に抑制できた。以上により、前記第2〜第5の実施
の形態の基板温度測定方法を用いれば、基板上に形成さ
れる酸化膜の目標膜厚からのずれ量を低減できることを
確認できた。
グラスファイバに石英を用いた例を説明したが、石英以
外にサファイヤを用いてもこれら実施の形態と同様の結
果が得られることを確認した。
単独で実施できるばかりでなく、適宜組み合わせて実施
することも可能である。さらに、前述した各実施の形態
には種々の段階の発明が含まれており、各実施の形態に
おいて開示した複数の構成要件の適宜な組み合わせによ
り、種々の段階の発明を抽出することも可能である。
VD装置の反応炉内における基板上薄膜の膜厚をin-sit
uでモニタリングできる膜厚モニタリング方法を提供す
ることが可能である。また、バッチ式の拡散炉内で基板
温度を測定できる基板温度測定方法を提供することが可
能である。
グ方法に用いられるCVD装置の構成を示す図である。
設置された放射温度計近傍の拡大図である。
膜厚との関係を示す図である。
の薄膜の膜厚との関係を示す図である。
法に使用される拡散炉内の構成を示す断面図である。
た断面図である。
法に使用される拡散炉内の構成を示す断面図である。
法に使用される拡散炉内の構成を示す断面図である。
法に使用される拡散炉内の構成を示す断面図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 CVD装置を用いて反応炉内の基板上に
薄膜を形成する際に、前記反応炉内からの放射光を反応
炉外部にて測定し、前記放射光の放射率の変化と、前記
基板上に形成される薄膜の膜厚変化との関係を予め取得
する第1工程と、 前記第1工程の後、前記CVD装置を用いて基板上に薄
膜を形成する際に、前記放射率の変化を測定する第2工
程と、 前記第1工程にて取得した放射率の変化と薄膜の膜厚変
化との関係より、前記第2工程にて測定した放射率の変
化から、形成された薄膜の膜厚を推定する第3工程と、 を具備することを特徴とする膜厚モニタリング方法。 - 【請求項2】 反応炉内に反応ガスを供給することで反
応炉内壁に薄膜が形成された後、前記反応炉内にエッチ
ングガスを供給して前記薄膜をエッチングする際に、前
記反応炉内からの放射光を反応炉外部にて測定し、前記
放射光の放射率の変化と、前記反応炉内壁上の薄膜の膜
厚変化との関係を予め取得する第1工程と、 前記第1工程の後、前記反応炉内に反応ガスを供給し反
応炉内壁に薄膜を形成した後、前記反応炉内にエッチン
グガスを供給して前記薄膜をエッチングする際に、前記
放射率の変化を測定する第2工程と、 前記第1工程にて取得した放射率の変化と薄膜の膜厚変
化との関係より、前記第2工程にて測定した放射率の変
化から、エッチオフされるタイミングを推定する第3工
程と、 を具備することを特徴とする膜厚モニタリング方法。 - 【請求項3】 前記放射光は、前記反応炉内部から放射
された光が反応炉内壁に付着した薄膜と反応炉壁材とを
透過した光であることを特徴とする請求項1または2に
記載の膜厚モニタリング方法。 - 【請求項4】 前記放射率は、前記反応炉の外部に設け
られた放射温度計によって測定されることを特徴とする
請求項1乃至3のいずれか1つに記載の膜厚モニタリン
グ方法。 - 【請求項5】 前記反応炉と前記放射温度計との間に
は、導入管が設けられており、この導入管は前記反応炉
内部以外の周囲からの光を排除し、前記放射光のみを前
記放射温度計に導くことを特徴とする請求項1乃至4の
いずれか1つに記載の膜厚モニタリング方法。 - 【請求項6】 バッチ式の拡散炉内に配置された複数の
基板のうち、温度測定対象の基板の温度を選択的に測定
する基板温度測定方法であって、 一方の先端部に斜面を有し、この斜面と反対側の前記先
端部側面に平坦面を有する、円柱棒状のグラスファイバ
を、前記平坦面が前記温度測定対象の基板の側面に対向
するように配置する工程と、 前記基板の側面から放射される光を、前記平坦面からグ
ラスファイバ内に取り込み、前記斜面で反射させてグラ
スファイバの他方の先端部に導く工程と、 を具備することを特徴とする基板温度測定方法。 - 【請求項7】 前記グラスファイバの前記斜面は、グラ
スファイバの中心軸に対して45度にカットされている
とともに、その表面が鏡面状態になっていることを特徴
とする請求項6に記載の基板温度測定方法。 - 【請求項8】 前記グラスファイバの前記斜面上には、
前記斜面の表面と空間を空けて不透明基板が形成されて
いることを特徴とする請求項6または7に記載の基板温
度測定方法。 - 【請求項9】 前記温度測定対象の基板の主面に、一方
の先端部の側面が対向するように配置され、他方の先端
部が前記グラスファイバの前記平坦面に対向するように
配置されたプリズムをさらに具備し、 前記プリズムは、前記側面と反対側の前記一方の先端部
に、プリズムの中心軸に対して45度にカットされた斜
面を有していることを特徴とする請求項6乃至8のいず
れか1つに記載の基板温度測定方法。 - 【請求項10】 前記複数の基板は、内部が中空になっ
ている保持材により保持されており、前記グラスファイ
バは前記保持材の内部に配置されていることを特徴とす
る請求項6に記載の基板温度測定方法。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001094164A JP3954319B2 (ja) | 2001-03-28 | 2001-03-28 | 薄膜の膜厚モニタリング方法及び基板温度測定方法 |
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