JP2002539622A - 熱処理室中の温度を決定する方法 - Google Patents

熱処理室中の温度を決定する方法

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ピン テイ シン
ツィー フー ヤオ
タクア ランディール
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ステアーグ アール ティ ピー システムズ インコーポレイテッド
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Abstract

(57)【要約】 酸化雰囲気または還元雰囲気の存在で熱処理室中の基板の温度を決定するシステムおよび方法を記載する。とくに、本発明に従って行われる温度の決定は、一般に熱処理室と関連して使用することのできる他の温度検出装置を校正するためである。本発明の方法は、一般に反応性皮膜を含有する基板を熱処理室内で酸化雰囲気または還元雰囲気中で加熱することに向けられている。ウエーハを加熱する場合、反応性皮膜は、基板が曝される温度に基づき、室内に含有されているガスと反応する。加熱された後、基板上に形成される皮膜の厚さを、基板が加熱された温度を決定するために測定する。この情報は、熱電対および高温計のような他の温度検出装置を校正するために使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の分野 本発明は、一般に熱処理室中の温度を決定する方法に関する。１つの実施態様
において、熱処理室内の温度を決定する方法は、該室内に含有された温度検出装
置を校正するために使用される。本発明の方法は、とくに酸化雰囲気または還元
雰囲気のいずれかを含有する熱加工室中の温度決定をするために好適である。
【０００２】 発明の背景 ここで使用されるような熱処理室は、半導体ウエーハのような物体を急速に加
熱する装置に関する。このような装置は、代表的に１個以上の半導体ウエーハを
保持するための基板ホルダーおよびウエーハを加熱するための光のエネルギーを
放出する光源を包含する。熱処理の間、半導体ウエーハは設定温度方式により制
御された条件下に加熱される。加熱の間、熱処理室内で急速熱酸化、窒化、アニ
ール、珪化、焼結および金属化のような種々の処理を実施することができる。
【０００３】 多数の半導体加熱方法は、ウエーハを高い温度に加熱することを要求し、それ
でウエーハを装置中へ組み立てる場合、種々の化学的および物理的変換が起こり
うる。急速熱処理の間、たとえば半導体ウエーハは代表的に光のアレーにより約
３００℃〜約１２００℃の温度に、代表的には数分未満の時間加熱される。これ
らの方法を通じて、１つの主目的はウエーハをできるだけ均一に加熱することで
ある。
【０００４】 半導体ウエーハの急速熱処理の間、ウエーハの温度を監視および制御すること
が望ましい。とくに、現在および予知できる重要性のすべての高温ウエーハ処理
のために、ウエーハの真正温度を高い正確さ、反復性および速度で測定すること
が重要である。ウエーハの温度を正確に測定する能力は、製造された集積回路の
質およびサイズに直接な決定的要素を有する。たとえば、与えられた半導体装置
に要求される最小特徴サイズは完成されたマイクロチップの計算速度を制限する
。特徴サイズはまた、処理の間装置の温度を測定および制御する能力に連接して
いる。
【０００５】 ウエーハ加熱システムにおける最も重要な課題の１つは、加熱工程の間、基板
の温度を正確に測定する能力である。過去において、熱処理室中の基板の温度を
測定するための種々の手段および装置が開発された。このような装置はたとえば
、基板と直接に接触するかまたは基板に隣接して配置される高温計、熱電対およ
びレーザー干渉の使用を包含する。
【０００６】 熱処理室中で上記装置のそれぞれを使用するためには、装置は一般に校正する
ことが必要である。従って、装置の温度読取りを若干の絶対的および正確な温度
基準と整合するために種々の校正手続が存在する。熱処理室中の温度装置を校正
するための現在の技術状態および最も広く使用される方法は、該室中にウエーハ
中にはめ込まれた熱電対を有する半導体ウエーハを配置することである。熱電対
から得られる温度測定が、温度測定装置から得られる温度の読みと比較され、不
一致が校正される。
【０００７】 熱処理室内に含有されている温度検出装置を校正するため過去において使用さ
れた他の方法は、特別の温度に加熱された場合に化学的または物理的変換を受け
る基板を室内で加熱することである。起きる化学的または物理的変換を観察また
は測定することにより、基板が加熱された温度を正確に決定することができ、こ
れを室内に含有されている他の温度検出装置を校正するために使用することがで
きる。たとえば、１実施態様において、シリコン酸化を、室内でシリコン基板を
加熱することにより実施することができる。基板が加熱される場合に起きる酸化
の量または程度が、基板が曝された温度を指示する。シリコン酸化のほかに、他
の校正法はＡｓ＋注入またはＢＦ２ ＋注入のようなイオン注入活性化およびチタ
ンおよびコバルトのような耐熱金属の珪化を包含する。
【０００８】 上記の方法は温度検出装置を校正するため半導体ウエーハ内に埋込まれた熱電
対の使用を越える種々の利点を提供するが、上記校正法は一般に高い温度範囲に
おいて有用であるだけで、約５００℃未満の温度で温度検出装置を校正するため
には使用されなかった。現在ますます低い温度で実施される方法が、低い温度範
囲内で正確および精密な温度測定の必要性を創造する。このように現在、熱処理
室内に含有されている温度検出装置を校正するための改善された方法に対する必
要性が存在する。とくに、低い温度でおよび種々のガスが室に循環させられてい
る場合に温度検出装置を校正する方法に対する要求が存在する。
【０００９】 発明の摘要 本発明は、先行技術の構造および方法の前述の欠点およびその他を認識および
対応する。
【００１０】 従って、本発明の１つの目的は、熱処理室中の半導体ウエーハの温度を測定す
るための改善されたシステムおよび方法を提供することである。
【００１１】 本発明の他の目的は、熱処理室内に含有されている温度検出装置を校正する方
法を提供することである。
【００１２】 本発明の他の目的は、低い温度でおよび酸化ガスまたは還元ガスの存在におい
て熱処理室中の温度検出装置を校正することである。
【００１３】 本発明のなお他の目的は、熱処理室が加熱過程の間水蒸気を含有するように設
計されている場合、室中の温度検出装置を校正することである。
【００１４】 本発明の他の目的は、加熱の間酸化銅皮膜を形成する銅表面を有する基板を使
用し、その際酸化銅皮膜の厚さが室内の温度を指示する、熱処理室中の温度を決
定する方法を提供することである。
【００１５】 本発明のこれらの目的および他の目的は、熱処理室中の基板の温度を測定する
方法を提供することにより達成される。方法は、熱処理室中に基板を配置する工
程を包含する。本発明の１実施態様において、基板は銅を含む材料からなる表面
を包含する。たとえば、基板はシリコンのような材料からなる半導体ウエーハで
あってもよい。銅皮膜は、半導体ウエーハに付着していてもよい。銅皮膜は、た
とえば少なくとも２０００Å、とくに約２０００Å〜約１μの厚さを有すること
ができる。
【００１６】 ひとたび熱処理室内に配置すれば、基板は酸化雰囲気の存在で決定された時間
加熱される。とくに、基板は非常に迅速に設定された最高温度に加熱される。基
板が加熱される温度は、酸化された銅の皮膜が基板の表面に形成するのに十分で
あるべきである。
【００１７】 本発明により、基板が加熱された温度を決定するために、酸化された皮膜の厚
さを測定する。酸化された皮膜の厚さは、分光偏光解析法（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ
ｏｐｉｃ ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ）を用いるような種々の方法により測定す
ることができる。酸化された銅皮膜の厚さに基づき、温度を決定することができ
る。
【００１８】 本発明の方法は種々のタイプの異なる熱処理室で使用することができると信じ
られる。好ましい１実施態様において、本発明の方法に従って使用される熱処理
室は、室中に配置されたウエーハを加熱するために計画される複数の光エネルギ
ー源を包含する。上記に記述したように、本発明のこの実施態様において、方法
は、熱処理室が酸化環境を含有する場合に室中の温度を指示するために計画され
ている。たとえば本発明は、熱処理室内に水蒸気、酸素および／または窒素酸化
物のようなガスが存在する場合に、室中の基板の温度を決定するのに好適である
。これらのガスは、集積回路の組立の間、種々の方法を実施するために室に循環
させることができる。しかし、これらのガスは室内で行われる温度測定を妨害し
うる。本発明は、このような矛盾を考慮するために計画され、従って室内に含有
されている温度検出装置を校正するために使用することができる。
【００１９】 たとえば、上記の方法により基板の温度を決定することによって、室内に含有
されている温度検出装置を、酸化された皮膜の厚さから決定される温度に基づき
校正することができる。熱処理室内に含有されている温度検出装置は、たとえば
熱電対および／または高温計であってもよい。特に有利に、本発明の方法は６０
０℃未満、とくに約５００℃未満の温度で、温度検出装置を校正するのに好適で
あることが認められた。
【００２０】 温度検出装置を校正するために使用されるほかに、本発明の方法は室中に配置
された基板が均一に熱されるか否かを決定するために使用することもできる。た
とえば、酸化された銅皮膜の厚さは基板上の複数の位置で決定することができる
。皮膜の厚さが基板の表面にわたり不変である場合、基板は均一に加熱されてい
る。しかし、皮膜の厚さが変わる場合、基板はその表面を横断して均等に加熱さ
れていないことを指摘できる。そのような場合、本発明により行われた測定に基
づき、熱処理室と連結して使用される加熱装置を調整し、従って修正することが
できる。たとえば、光エネルギー源が室内の基板を加熱するために使用されてい
る場合、光エネルギー源の照射分布は、基板をより均一に加熱するために調節す
ることができる。
【００２１】 酸化雰囲気中で温度を測定するために使用されるほかに、本発明の選択的実施
態様は、還元雰囲気中で温度を測定する方法に向けられている。この実施態様に
おいては、銅皮膜を含有する代わりに、熱処理室中に配置される基板は酸化され
た銅皮膜を含有する。還元雰囲気中で加熱する場合、酸化された銅皮膜は銅に還
元され、これがまた皮膜の厚さを減少する。酸化された銅皮膜における厚さの減
少を測定するのは、基板が加熱された温度を決定するために使用することができ
る。上記に記述した実施態様と類似に、方法は約６００℃未満の温度を決定する
ためにとくに好適である。方法が実施される還元雰囲気は、処理室に水素のよう
な還元ガスを供給することにより作り出すことができる。水素ガスは一般に、半
導体ウエーハに対して種々の方法を実施するために、熱処理室に循環させられる
。このような方法は、たとえば焼結および金属化を包含する。
【００２２】 本発明の他の目的、特徴および様相は下記に詳細に検討する。
【００２３】 当業者に向けられた最良の態様を包含する本発明の十分で可能にする記述は、
とくに添付図面を参照する明細書の残余部分においてより詳細に記述する。
【００２４】 好ましい実施態様の詳細な記載 この討論が典型的実施態様だけの記述であり、本発明の広い様相を制限しよう
とするものでなく、広い様相は典型的構成において具体化されていることは当業
者により了解されるべきである。
【００２５】 一般に、本発明は熱処理室中の物体、とくに半導体ウエーハの温度を熱処理の
間決定する方法およびシステムに向けられている。本発明のシステムは、約６０
０℃未満のような比較的低い温度で酸化雰囲気または還元雰囲気中の半導体ウエ
ーハの温度を決定するのにとくに好適である。本発明の方法は、非常に正確な温
度測定を生じ、その際これは熱処理室内に見出される他の温度検出装置を校正す
るために使用することができる。本発明はまた、半導体ウエーハを加熱する際に
達成される温度均一性の程度に関する情報を提供することもできる。この情報は
、ウエーハを加熱するために使用される装置において調整および変更を行うため
に使用することができる。
【００２６】 本発明による熱処理室中の物体の温度を決定するために、反応性皮膜を有する
基板が室内に配置される。たとえば、１実施態様において基板は、ウエーハの１
表面に付着した銅皮膜を有するシリコンウエーハであってもよい。いったん熱処
理室中に配置すれば、コーテッド基板は銅皮膜を部分的に酸化する酸化雰囲気中
で加熱される。次いで、酸化銅の厚さが、適当な装置を用いて測定される。酸化
銅の成長は温度依存性であるので、温度は酸化銅の厚さに基づき決定および計算
することができ、これは室内に含有されている他の温度検出装置を校正するため
に使用することができる。さらに、ウエーハを均一に横断する酸化銅の厚さは、
ウエーハを均一に横断する温度に転換することができる。
【００２７】 本発明の選択的実施態様において、基板は酸化銅皮膜で予備被覆することがで
き、基板は酸化雰囲気と反対に、還元雰囲気中で加熱することができる。還元雰
囲気中で、酸化銅は銅に変換され、酸化銅皮膜の厚さを減少させる。酸化銅皮膜
の厚さの減少を測定することにより、基板が加熱された温度を正確に決定するこ
とができる。
【００２８】 熱処理室中で、酸化、窒化、アニール、金属化、焼結、珪化のような種々の異
なる方法および他の種々の方法が実施される。これら方法のそれぞれにおいては
、操作温度が変わるだけでなくて、種々の異なるガスが室を循環させられる。反
応周囲または換言すれば室を循環させられる特別なガスは基板の温度および基板
が加熱される速度に激烈な影響を及ぼしうることは周知である。本発明の方法は
、熱処理室中の温度を種々の異なるタイプのガスの存在において測定することに
向けられている。その際この温度情報が、室内に見出され、室内のウエーハの温
度を監視するために使用される温度検出装置を校正するために使用することがで
きる。
【００２９】 本発明に従って、室内に見出される温度検出装置を校正する場合、好ましくは
本発明の方法は実際の方法条件にできるだけ近接して実施される。このようにし
て、正確および確実な温度情報が生成し、その際これは特別な方法に対し室内の
温度計器を校正するために使用することができる。
【００３０】 以下の記述から明らかになるように、本発明のシステムは先行技術の構造を越
える多数の利点を提供する。たとえば、本発明の方法は広範囲の温度を決定する
ために使用することができるだけでなく、約６００℃未満のような比較的低い温
度を監視するためにとくに好適でもある。さらに、方法は非常に確実、簡単およ
び正確である。最後に、上記に記載したように、本発明のシステムは、熱処理室
内の温度を決定するために使用されるほかに、室内の物体が均一に加熱されてい
るか否かを決定するためにも好適である。
【００３１】 図１に関し、典型的な目的だけのために、シリコンのような半導体材料からな
る１個以上のウエーハを熱処理するための熱処理システム１０の１実施態様が図
解されている。システム１０は、種々の方法を行うための、ウエーハ１４のよう
な基板を受取るのに適合された処理室１２を包含する。示したように、ウエーハ
１４は石英のような熱絶縁材料からなる基板ホルダー１５上に位置決めされてい
る。室１２は、非常に速い速度でおよび綿密に制御された条件下にウエーハ１４
を加熱するように設計されている。室１２は、金属およびセラミックを包含する
種々の材料からなっていてもよい。たとえば、室１２はステンレス鋼または石英
からなっていてもよい。
【００３２】 室１２が熱伝導性材料からなっている場合、好ましくは室は冷却系統を包含す
る。たとえば図１に示したように、室１２は室の周囲にぐるりと巻付けられた冷
却導管１６を包含する。導管１６は、室１２の壁を一定温度に維持するために使
用される、水のような冷却液を循環させるために適合されている。
【００３３】 室１２は、室中へガスを導入するためおよび／または室を設定された圧力範囲
内に維持するためのガス入口１８およびガス出口２０を包含する。たとえば、ガ
スをウエーハ１４との反応のためガス入口１８を通って室１２中へ導入すること
ができる。ひとたび進行したら、ガスをガス出口２０を用いて室から排出するこ
とができる。
【００３４】 選択的に、室内で起きる不必要または不所望な副反応を防止するため、不活性
ガスをガス入口１８を通って室１２に供給することができる。他の実施態様にお
いて、ガス入口１８およびガス出口２０は、室１２を加圧するために使用するこ
とができる。所望の場合、ガス出口２０またはウエーハの高さの下方に位置決め
された付加的な大きい出口を用いて室１２中に真空を生成することもできる。
【００３５】 処理の間、１実施態様において基板ホルダー１５は、ウエーハ回転機構２１を
用いてウエーハ１４を回転するために適合されていてもよい。ウエーハを回転す
るのは、ウエーハの表面にわたり大きい温度均一性を促進しおよびウエーハ１４
および室中へ導入されるガスの間の接触増強を促進する。しかし、ウエーハのほ
かに、室１２は光学部品、フィルム、ファイバー、リボンおよび任意特定の形状
を有する他の基板を処理するために適合されている。
【００３６】 通常、熱源または加熱装置２２は、処理の間ウエーハ１４を加熱するため、室
１２と連絡して包含されている。加熱装置２２は、タングステンハロゲンランプ
のような複数のランプ２４を包含する。図１に示したように、ランプ２４はウエ
ーハ１４上方に配置されている。しかし、ランプ２４は任意特定位置に配置でき
ることは理解すべきである。さらに、所望の場合、ウエーハ１４の下方のように
、システム１０内に補助ランプが包含されていてもよい。
【００３７】 熱源としてのランプ２４の使用は一般に好ましい。たとえば、ランプは電気素
子または慣用のオーブンのような他の加熱装置よりもはるかに高い加熱および冷
却速度を有する。ランプ２４は、典型的に非常に短いおよび十分に制御された始
動時間を要求する瞬間エネルギーを提供する急速等温処理システムを生成する。
ランプ２４からのエネルギーの流れは、任意の時間に突然に止めることもできる
。図に示したように、ランプ２４は、ランプにより放出される熱エネルギーを増
加または減少するために使用することのできる漸次出力制御器２５を備えている
。
【００３８】 図１に示したように、この実施態様において、システム１０はランプ２４およ
び熱処理室１２の間に位置決めされている窓３２を包含する。窓３２は、ランプ
２４をウエーハ１４から絶縁し、室の汚染を防止するために使用される。
【００３９】 熱処理の間ウエーハ１４の温度を監視するために、熱処理室１２は種々の異な
る複式温度検出装置を包含することができる。たとえば図１に示したように、熱
処理室１２は熱電対ホルダー６２内に含有された熱電対６０を包含しうる。熱電
対６０は、半導体ウエーハ１４に隣接して位置決めすることができるかまたは選
択的にウエーハとの直接接触で配置することもできる。熱電対６０は、加熱の間
ウエーハの温度を直接に測定する。
【００４０】 熱電対６０を使用するほかにまたは熱電対６０の使用に加えて、システム１０
は熱処理の間ウエーハ１４の温度を監視するため１個以上の輻射検出装置２７を
包含しうる。ウエーハ１４の温度を監視するための輻射検出装置の使用は、ウエ
ーハの輻射率が公知でありおよびウエーハが実質的に不透明である、通常比較的
高い温度である温度における適用のためにとくに好適である。
【００４１】 輻射検出装置２７は光ファイバまたは光パイプ２８を包含し、これらがまた相
応する光検出器３０と連絡している。光ファイバ２８は特別な波長でウエーハ１
４により放出される熱エネルギーを受取るように配置されている。その際、検出
された輻射の量は光検出器３０に伝達され、該検出器が、一部分プランクの法則
に基づいて計算することのできる、ウエーハの温度を決定するための便利な電圧
信号を発生する。１実施態様において、光検出器３０と結合している各光ファイ
バ２８は高温計を包含する。
【００４２】 熱電対および輻射検出装置を使用するほかに、他の温度検出装置が本発明の室
内に制限なしに包含されていてもよい。
【００４３】 図１に示したように、システム１０はさらに、たとえばマイクロプロセッサで
あってもよいシステム制御器５０を包含しうる。制御器５０は、熱電対６０およ
び光検出器３０と連絡して配置されていてもよい。とくに、制御器５０はウエー
ハ１４の温度を指示する温度検出装置からの電圧信号を受取るために配置されて
いる。
【００４４】 図１に示したようなシステム制御器５０は、またランプ出力制御器２５と連絡
していてもよい。この配置において、制御装置５０がウエーハ１４の温度を決定
でき、およびこの情報に基づき、ランプ２４により放出される熱エネルギーの量
を制御する。このようにして、慎重に制御された範囲内でウエーハ１４を処理す
るための反応器１２内の条件に関して瞬間調節を行うことができる。
【００４５】 １実施態様において、制御器５０はシステム内の他の素子を自動的に制御する
ために使用することもできる。たとえば、制御器５０はガス入口１８を通って室
１２に入るガスの流量を制御するために使用することができる。示したように、
制御器５０はさらにウエーハ１４が室内で回転される速度を制御するために使用
することができる。
【００４６】 システム１０を能率的および正確に運転するためには、熱処理室内に含有され
ている温度検出装置が、加熱される場合の半導体ウエーハの温度を正確に測定す
ることが重要である。この点について、温度検出装置は、これらの装置がウエー
ハの温度を正確に監視していることを確保するために校正すべきである。とくに
、温度検出装置は好ましくは、室中で行われる、それぞれの異なるタイプの方法
に対して校正される。上記に記載したように、たとえば室内で異なるガスを循環
させるのは、ウエーハの温度に対して劇的効果を有することができる。本発明の
方法は、温度検出装置を校正するためおよびウエーハが均一に加熱されているこ
とを確保するため、基板の温度を正確に決定することに向けられている。とくに
、本発明の方法は室内の基板の温度を酸化雰囲気または還元雰囲気中で決定する
ことに向けられている。
【００４７】 たとえば、酸化雰囲気中で基板の温度を監視する場合、本発明の方法は銅から
なる表面を有する基板の使用に向けられている。熱処理室中に配置されおよび酸
化ガスの存在で加熱された場合、銅表面は部分的に酸化して酸化銅を形成する。
固定された時間中に形成する酸化銅の量は、直接に基板が加熱される温度に関係
する。こうして、本発明により、形成する酸化銅皮膜の厚さを測定することによ
り基板が加熱された温度を正確に決定することができる。その際、この温度は熱
処理室内に存在する温度検出装置を校正するために使用することができる。
【００４８】 本発明に従って使用される基板は、半導体ウエーハと類似の形状を有する。基
板は、完全に銅からなっていてもよいが、好ましくは銅皮膜を包含するだけであ
る。たとえば、１実施態様において、基板はシリコンのような、室内で処理すべ
き半導体ウエーハと同じ材料からなっていてもよい。銅皮膜は、ウエーハに付着
していてもよい。大抵の適用のために、銅皮膜は少なくとも２０００Åの厚さ、
とくに約２０００Å〜約１μの厚さであるべきである。しかし、使用される皮膜
の正確な厚さは、基板が加熱される温度、室中で実施される方法およびウエーハ
が加熱されるべき時間の長さに依存する。
【００４９】 所望の場合、銅皮膜を半導体ウエーハに付着するために、接着剤を使用するこ
とができる。１実施態様において、接着剤は、銅皮膜が付着しているウエーハを
製造するために使用される半導体材料を汚染から防止するために不純物遮断層と
しても役立ちうる。本発明に従って使用することのできる接着剤の例は、窒化チ
タン（ＴｉＮ）、タンタル（Ｔａ）および窒化タンタル（ＴａＮ）を包含する。
【００５０】 上記に記述したように、本発明の方法において使用される銅コーテッド基板は
、酸化雰囲気中で温度を決定するのに好適であることが判明している。このよう
な酸化雰囲気は、一般に熱処理室中の半導体ウエーハに対し種々の方法を行うた
めに使用される。たとえば、多数の方法が、酸素、水蒸気または窒素酸化物のよ
うな酸化ガスが熱処理の間室を循環させられる熱処理室中で実施される。好まし
くは、熱処理室内で温度検出装置を校正するために本発明の方法を使用する場合
、本発明の方法は、半導体ウエーハが処理されると同じ条件下に実施される。と
くに、室を循環させられる異なるガスは、温度に対し異なる効果を有することが
できる。従って、温度検出装置を校正するために使用される温度は、ウエーハを
処理するために使用される同じ雰囲気中で測定することが好ましい。
【００５１】 とくに有利に、本発明の方法は、熱処理室中で約６００℃未満、とくに約４０
０℃〜約５５０℃のような低い温度範囲内で基板の温度を決定するのに好適であ
る。過去において、低い温度でウエーハの温度を監視する試みは困難を経験して
いる。たとえば、高温計は典型的に５００℃未満の温度では十分に働かない、そ
れというのもウエーハは、ウエーハの温度を決定困難にする電磁線に対し部分的
に透過性であるからである。
【００５２】 約６００℃未満の温度で基板の温度を決定するのに好適であるほかに、本発明
の方法は、水蒸気を含有する雰囲気中で基板の温度を決定するのにも好適である
。最近、水蒸気を使用する酸化方法が重要視されている。しかし、水蒸気はウエ
ーハが加熱される方法および温度が監視される方法に対し劇的なインパクトを有
する。本発明の方法は、室内に含有されている温度検出装置を水蒸気酸化の間校
正するための非常に精密および正確な温度基準点を提供する。
【００５３】 本発明に従い、銅皮膜を含有する基板を熱処理室中に配置して加熱した後、生
じる酸化銅の厚さを、基板が加熱された温度を決定するために測定する。生じる
酸化銅皮膜の厚さを測定する方法は、特別の適用に依存して変化しうる。測定は
、基板が熱処理室内に含有されている間に行うことができるか、または選択的に
基板を室から取出した後に実施することができる。
【００５４】 大抵の適用のために、酸化銅皮膜の厚さは分光技術を用いて測定すべきである
。たとえば、本発明の１実施態様において、酸化銅皮膜の厚さは分光偏光解析法
を用いて測定することができる。偏光解析法は、材料の表面から反射される線状
に偏光された入射光の偏光特性から材料の性質を決定する技術である。偏光解析
法は、本発明の方法において使用するのに好適である、それというのも銅は、殊
に５０００Åより大きい、およびとくに７０００Åよりも大きい波長において、
二酸化銅（ＣｕＯ）および一酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）のような銅酸化物と比較して遥
かに異なる反射特性を有するからである。類似の相違は、銅と酸化銅の間の屈折
率（ｎ）および吸光係数（ｋ）を比較する場合にも観察される。これらの相違お
よび特性に基づき、偏光解析法は銅表面に形成する酸化銅皮膜の厚さを決定する
ために使用することができる。しかし、酸化銅皮膜の厚さを決定するための任意
の他の適当な方法を、本発明に従って使用することができることは理解すべきで
ある。
【００５５】 ひとたび酸化銅皮膜の厚さを決定すれば、基板が加熱された温度は、室中で基
板が消費した時間の量に基づき容易に計算することができる。大抵の適用のため
には、本発明の基板を熱処理室中に配置し、最高温度水準に達するまで急速な速
度で加熱すべきである。ひとたび最高温度に加熱されれば、基板は好ましくは、
冷却されるに先立ち、約１０分未満のような決定された時間該温度に維持される
。
【００５６】 基板が加熱された後、引き続きウエーハが加熱された温度を決定するために酸
化銅皮膜の厚さが決定される。明確に、設定定時間対温度校正曲線を作成し、温
度を決定するのに使用することができる。たとえば酸化銅皮膜の厚さおよび基板
が加熱された時間の量を知ることにより、設定された曲線から温度を得ることが
できる。
【００５７】 ひとたび基板の温度を酸化物皮膜の厚さに基づき決定すれば、決定された温度
を熱処理室内で得られた温度検出装置を校正するために使用することができる。
たとえば、本発明方法により決定された温度は、図１に示したように熱電対６０
および／または輻射検出装置２７を校正するために使用することができる。
【００５８】 さらに、多数の位置で酸化銅皮膜の厚さを測定することにより、基板を均一に
加熱する熱処理室の能力も決定することができる。たとえば、酸化銅皮膜の厚さ
が均一である場合、室は基板を均一に加熱することができる。しかし、酸化銅皮
膜の厚さが不均一である場合、基板を加熱するために使用されたヒーターにおい
て行うべき調節の必要性を指示できる。たとえば、図１に示した様な光エネルギ
ー源を使用する場合、より大きい温度均一性を増進するために、光エネルギー源
により惹起される照射分布を変えることができる。
【００５９】 酸化雰囲気中で温度を決定するほかに、本発明は還元雰囲気中で基板の温度を
決定する方法にも向けられている。この実施態様において、銅表面を有する基板
を使用する代わりに、酸化銅表面を有する基板が使用される。基板を還元雰囲気
中に配置し、加熱する場合、酸化銅は銅に還元され、酸化銅皮膜の厚さを減少さ
せる。基板が加熱される時間の量に基づき、皮膜の厚さの減少は、基板が加熱さ
れた温度に変換することができる。この温度は、熱電対および高温計のような熱
処理室内に存在しうる他の温度検出装置を校正するために使用することができる
。
【００６０】 還元雰囲気は、時々熱処理室中で金属化および焼結を包含する種々の方法を行
うために必要とされる。これらの方法の多くは、約６００℃未満の温度で実施さ
れ、本発明の方法を温度決定するのに好適にする。還元雰囲気は、室内に水素の
ようなガスを循環させることにより作ることができる。
【００６１】 酸化銅はどれくらい厚さが減少したかを決定するために使用される方法は、上
記に酸化雰囲気中で温度を測定することに関して記述したと同じであってもよい
。とくに、分光偏光解析法は基板が加熱された前および後の酸化物皮膜の厚さを
測定するために使用することができる。
【００６２】 本発明は、次の例に関してより良く理解することができる。
【００６３】 例１ 次の例は、二酸化銅（ＣｕＯ）および一酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）との比較において
銅の光学的性質における相違を実証するために実施した。殊に、反射率、屈折率
（ｎ）および吸光係数（ｋ）は、銅、二酸化銅および一酸化銅に対し異なる波長
で決定した。測定は、分光偏光解析装置を用いて実施した。結果は図２、図３お
よび図４に説明されている。
【００６４】 図に示したように、銅の光学的性質は、殊に約５０００よりも大きい波長にお
いて、とくに約７０００よりも大きい波長において、二酸化銅および一酸化銅の
光学的性質よりもはるかに異なる。
【００６５】 光学的性質におけるこれらの相違が、銅表面上に形成した酸化銅皮膜の厚さの
正確な測定を比較的簡単にする。本発明によって、この様な皮膜の厚さを容易に
および正確に決定することができるので、本発明にに従って計算した温度を容易
におよび正確に決定することもできる。
【００６６】 例２ 次の例は、酸化銅の厚さに関連して時間および温度グラフを誘導するための１
実施態様に向けられている。ひとたび作成したら、該グラフは、本発明に従い、
皮膜の厚さに基づき温度を決定するために使用することができる。
【００６７】 この実験においては、２０．３２ｃｍ（８インチ）の直径を有するシリコンウ
エーハ上に８０００Åの厚さを有する銅皮膜を配置した。銅コーテッドされた基
板を熱処理室中に配置し、異なる時間、異なる温度に加熱した。殊に、若干のウ
エーハを酸素ガスおよび選択的に水蒸気の存在で種々の温度で６０秒間加熱した
。酸素ガスおよび水蒸気は、室に毎分３ｌの体積流量で供給した。酸素ガスおよ
び水蒸気は酸化周囲を創造した。
【００６８】 他のウエーハセットを、分子状酸素含有ガスの存在で異なる時間４００℃に加
熱した。
【００６９】 ウエーハが処理されている間、ウエーハの温度を事前校正した対照により決定
した。
【００７０】 基板が加熱されている間、銅皮膜の一部は酸化銅に変換した。次いで、基板上
に形成した酸化銅フィルムの厚さを、２０００〜８０００Åの波長で分光偏光解
析法を用い基板上の異なる位置で測定した。
【００７１】 図５および図６に関し、この例の結果を説明する。示したように、グラフはウ
エーハを設定された時間の量に加熱した場合（図５）の温度および酸化銅の厚さ
の間の関係を示しおよび設定された温度に加熱した場合（図６）の時間および酸
化物の厚さの間の関係を示すために作成した。図５は室内の酸化雰囲気が変化す
る場合に生じる相違をも説明する。
【００７２】 図５および図６に説明したグラフは、他の銅コーテッドウエーハを処理する場
合の温度を決定するために使用することのできる校正曲線を提供する。たとえば
、銅コーテッドウエーハを６０秒間未知の温度に加熱した場合、この温度は皮膜
の厚さを測定しおよび図５に説明したグラフから温度を得ることにより決定する
ことができる。
【００７３】 これらおよび本発明に対する他の改良および変更は、とくに請求項に記述した
本発明の思想および範囲から逸脱することなく、当業者により実施することがで
きる。さらに、種々の実施態様の状況は全体または部分の双方で交換できること
は理解すべきである。さらに、当業者は、前述の記載が例としてだけであり、こ
のような請求項にさらに記載された本発明を制限することを意図していないこと
を認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従って使用することのできる熱処理室の典型的実施態様の断面図
【図２】 例１で得られた結果を表す、波長の関数としてのＣｕ、Ｃｕ２ＯおよびＣｕＯ
の反射曲線図
【図３】 例１で得られた結果を表す、波長の関数としてのＣｕ、Ｃｕ２ＯおよびＣｕＯ
の屈折率曲線図
【図４】 例１で達成された結果を表す、波長の関数としてのＣｕ、Ｃｕ２ＯおよびＣｕ
Ｏの吸光係数ｋ曲線図
【図５】 例２で得られたＣｕの乾式および湿式酸化の比較結果を表す、温度の関数とし
ての酸化銅の厚さ曲線図
【図６】 例２で得られた結果を表す、時間の関数としての酸化銅の厚さ曲線図
【符号の説明】
１０ システム １２ 処理室 １４ ウエーハ １５ 基板ホルダー １６ 冷却導管 １８ ガス入口 ２０ ガス出口 ２１ ウエーハ回転機構 ２２ 加熱装置 ２４ ランプ ２５ 漸次出力制御器 ２７ 輻射検出装置 ２８ 光ファイバー ３０ 光検出装置 ３２ 窓 ５０ システム制御器 ６０ 熱電対 ６２ 熱電対ホルダー
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年５月１９日（２００１．５．１９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】 熱処理室内に含有されている温度検出装置を校正するため過去において使用さ
れた他の方法は、特別の温度に加熱された場合に化学的または物理的変換を受け
る基板を室内で加熱することである。起きる化学的または物理的変換を観察また
は測定することにより、基板が加熱された温度を正確に決定することができ、こ
れを室内に含有されている他の温度検出装置を校正するために使用することがで
きる。たとえば、１実施態様において、例えばJ.C. Gelpey et al. : " Uniform ity Characterization of an RTP System" in: nuclear Physics and Methods i n Physics Research, B21, 1987, 612〜617, XP000885199, Amsterdam, NLに記
載されるように、 シリコン酸化を、室内でシリコン基板を加熱することにより実
施することができる。基板が加熱される場合に起きる酸化の量または程度が、基
板が曝された温度を指示する。シリコン酸化のほかに、他の校正法はＡｓ＋注入
またはＢＦ２ ＋注入のようなイオン注入活性化およびチタンおよびコバルトのよ
うな耐熱金属の珪化を包含する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】 上記の方法は温度検出装置を校正するため半導体ウエーハ内に埋込まれた熱電
対の使用を越える種々の利点を提供するが、上記校正法は一般に高い温度範囲に
おいて有用であるだけで、約５００℃未満の温度で温度検出装置を校正するため
には使用されなかった。現在ますます低い温度で実施される方法が、低い温度範
囲内で正確および精密な温度測定の必要性を創造する。このように現在、熱処理
室内に含有されている温度検出装置を校正するための改善された方法に対する必
要性が存在する。とくに、低い温度でおよび種々のガスが室に循環させられてい
る場合に温度検出装置を校正する方法に対する要求が存在する。 さらに、ＥＰ−Ａ−０４５１５１４には、半導体ウエーハの誘電層のシート抵 抗および厚さをその場でリアルタイムで測定するための非−侵入性の検出装置が 記載されている。検出装置には、種々のマイクロ波シグナルを発生させるための マイクロ波源が含まれる。エミッター導波管はマイクロ波源からの種々のマイク ロ波シグナルを受けて、製造室中の半導体ウエーハの方向へ放射する。コレクタ ー導波管は半導体ウエーハから反射したマイクロ波シグナルを検出する。二方向 性結合器は、エミッター導波管と連絡して、エミッター導波管へのおよび導波管 からのマイクロ波シグナルを誘導し、半導体ウエーハ、誘電層、および堆積蒸気 の物理特性に関連性を有する種々の電気信号を生じる。これらの物理特性には、 誘電層厚さ、抵抗率および基板温度が含まれる。別の実施態様では、プラズマ蒸 気密度および他の干渉的パラメーターの測定を提供する。 ＵＳ−Ａ−５３６４１８７には、反射面を有する室内基板の温度を外部から測 定するシステムが記載されている。このシステムは、反射面をフォトンで補撃す るのに十分な強度を有する第１光源を含み、それ故に表面が加熱される。第１光 源は、ケイ素の吸収バンド中にほとんどのエネルギー準位および波長を有する。 このシステムは、反射面上に層を形成するために基板をガスへ曝露する装置も内 包する。表面の反射率の変化を検出する検出装置、有利には光検出器が含まれる 。本発明の１実施態様において、検出装置は、第２光源および反射フォトンによ り誘起される表面の反射率を検出する検出装置から成る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ランディール タクア アメリカ合衆国 カリフォルニア サン ノゼ アペニンズ サークル 5261 Ｆターム(参考） 4M106 AA01 BA04 CA48 DH02 DH03

Claims (35)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 次の工程： 熱処理室中に、銅を包含する材料からなる表面を含む基板を配置する工程； 熱処理室内の基板を、酸化雰囲気の存在で決定された時間加熱し、基板を基板
    の表面に酸化された銅の皮膜を形成するのに十分な温度に加熱する工程； 基板上の酸化された銅皮膜の厚さを測定する工程； 基板が加熱される間の熱処理室内の温度を、酸化された銅皮膜の測定された厚
    さから決定する工程 を包含する熱処理室中の基板の温度を測定する方法。
  2. 【請求項２】 基板が、ウエーハ表面に銅皮膜を付着した半導体ウエーハか
    らなる、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 銅皮膜が少なくとも２０００Åの厚さを有する、請求項２記
    載の方法。
  4. 【請求項４】 基板を熱処理室内で光のエネルギーにより加熱する、請求項
    １記載の方法。
  5. 【請求項５】 基板を約６００℃を下回る温度に加熱する、請求項１記載の
    方法。
  6. 【請求項６】 酸化雰囲気が水蒸気を含有する、請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 酸化雰囲気が酸素ガスを含有する、請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 基板を設定された温度に加熱し、設定された温度を基板上に
    酸化された銅皮膜が形成する時間維持する、請求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】 酸化された皮膜の厚さを分光偏光解析法を用いて測定する、
    請求項１記載の方法。
  10. 【請求項１０】 次の工程： 酸化された銅を包含する材料からなる、決定された厚さを有する皮膜を包含す
    る基板を熱処理室中に配置する工程； 基板を熱処理室内で還元雰囲気の存在で決定された時間加熱し、基板を酸化さ
    れた銅の一部を還元するのに十分な温度に加熱し、これにより基板上の酸化され
    た銅皮膜の厚さを減させる工程； 基板上の酸化された銅皮膜の厚さの減少を測定する工程；および 基板が加熱される間の熱処理室内の温度を、酸化された銅皮膜の測定された厚
    さの減少から決定する工程 を包含する熱処理室中の基板の温度を測定する方法。
  11. 【請求項１１】 還元雰囲気が水素ガスを含有する、請求項１０記載の方法
    。
  12. 【請求項１２】 基板を、熱処理室内で光のエネルギーにより加熱する、請
    求項１０記載の方法。
  13. 【請求項１３】 基板を設定された温度に加熱し、基板上の皮膜中に含有さ
    れる酸化された銅が還元される時間、設定された温度に保持する、請求項１０記
    載の方法。
  14. 【請求項１４】 酸化された銅皮膜の厚さの減少を、分光偏光解析法を用い
    て測定する、請求項１０記載の方法。
  15. 【請求項１５】 基板が半導体ウエーハからなる、請求項１０記載の方法。
  16. 【請求項１６】 基板を約６００℃を下回る温度に加熱する、請求項１０記
    載の方法。
  17. 【請求項１７】 次の工程： 室中に配置された半導体ウエーハの温度を監視する温度検出装置を含有し、室
    中に含有された半導体ウエーハを加熱するための複数の光エネルギー源と連絡し
    ている熱処理室を準備する工程； 熱処理室中に、銅を包含する材料からなる表面を含む基板を配置する工程； 熱加工室内の基板を、酸化雰囲気の存在で決められた時間加熱し、基板の表面
    上に酸化された銅の皮膜が形成されるのに十分な温度に、基板を加熱する工程； 基板上の酸化された銅皮膜の厚さを測定する工程； 基板が加熱される間の熱処理室内の温度を、酸化された銅皮膜の測定された厚
    さから決定する工程；および 熱処理室中に含有されている温度検出装置を、決定された温度に基づき校正す
    る工程 を包含する熱処理室中の温度検出装置を校正する方法。
  18. 【請求項１８】 温度検出装置が熱電対からなる、請求項１７記載の方法。
  19. 【請求項１９】 基板が、ウエーハ表面に銅皮膜の付着した半導体ウエーハ
    からなる、請求項１７記載の方法。
  20. 【請求項２０】 銅皮膜が少なくとも２０００Åの厚さを有する、請求項１
    ９記載の方法。
  21. 【請求項２１】 基板を約６００℃を下回る温度に加熱する、請求項１７記
    載の方法。
  22. 【請求項２２】 酸化雰囲気が水蒸気を含有する、請求項１７記載の方法。
  23. 【請求項２３】 酸化雰囲気が酸素ガスを含有する、請求項１７記載の方法
    。
  24. 【請求項２４】 温度検出装置が高温計からなる、請求項１７記載の方法。
  25. 【請求項２５】 酸化された皮膜の厚さを分光偏光解析法を用いて測定する
    、請求項１７記載の方法。
  26. 【請求項２６】 基板の表面を均一に横断する温度を決定するため、酸化さ
    れた銅皮膜の厚さを、基板の加熱時に、多数の位置で測定する、請求項２５記載
    の方法。
  27. 【請求項２７】 次の工程： 室中に配置された半導体ウエーハの温度を監視するための温度検出装置を含有
    し、室中の半導体ウエーハを加熱するための複数の光エネルギー源と連絡してい
    る熱処理室を準備する工程； 熱処理室中に、決定された厚さを有する酸化された銅皮膜を包含する材料から
    なる表面を含む基板を配置する工程； 熱処理室内で基板を還元雰囲気の存在で決定された時間加熱し、酸化された銅
    の一部を還元するのに十分な温度で基板を加熱し、これにより基板上の酸化され
    た銅皮膜の厚さを減少させる工程； 基板上の酸化された銅皮膜の厚さの減少を測定する工程； 基板が加熱される間の熱処理室内の温度を、酸化された銅皮膜の測定された減
    少から決定する工程；および 決定された温度に基づき熱処理室中に含有された温度検出装置を校正する工程
    を包含する熱処理室中の温度検出装置を校正する方法。
  28. 【請求項２８】 温度検出装置が熱電対からなる、請求項２７記載の方法。
  29. 【請求項２９】 基板が、ウエーハ表面に酸化された銅皮膜を付着した半導
    体ウエーハからなる、請求項２７記載の方法。
  30. 【請求項３０】 酸化された銅皮膜が少なくとも２０００Åの厚さを有する
    、請求項２９記載の方法。
  31. 【請求項３１】 基板を約６００℃を下回る温度に加熱する、請求項２７記
    載の方法。
  32. 【請求項３２】 還元雰囲気が水素を含有する、請求項２７記載の方法。
  33. 【請求項３３】 温度検出装置が高温計からなる、請求項２７記載の方法。
  34. 【請求項３４】 酸化された銅皮膜の厚さの減少を分光偏光解析法を用いて
    測定する、請求項２７記載の方法。
  35. 【請求項３５】 基板の表面を均一に横断する温度を決定するため、酸化さ
    れた銅皮膜の厚さの減少を、基板の加熱時に、多数の位置で測定する、請求項３
    ４記載の方法。
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