JP2006276028A - 温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱中の物体の温度を正確に測定できるようにすると共に、それにより物体に対して正確な温度で熱処理を行なえるようにする。
【解決手段】基板１０に対する熱処理工程において、基板１０の裏面の輻射率εを測定するときに、基板１０の表面上には、輻射率εを変動させる材料よりなる膜、例えば、プラグ１５Ａを構成する第１のＤＰＳ膜１５、容量下部電極１７Ａを構成する第２のＤＰＳ膜１７、及び容量上部電極２０Ａを構成する第３のＤＰＳ膜２０が形成されている。一方、基板１０の裏面上には、ＤＰＳ膜等の、輻射率εを変動させる材料よりなる膜は形成されていない。
【選択図】図５

Description

本発明は、基板等の物体の輻射率を計測することにより物体の温度を正確に測定する方法に関し、特に、物体の輻射率に基づき物体に対して正確な温度で熱処理を行なう熱処理方法に関するものである。

図９は、従来の熱処理装置、具体的には炉加熱タイプ（ホットウォールタイプ）の熱処理装置の断面構成を模式的に示している。

図９に示す加熱装置１００は、ＳｉＣからなる縦型の炉１０１と、炉１０１の側面を取り巻くコイル１０２とを備えている。炉１０１の内部は、コイル１０２により加熱されると共に所定の温度に保持される。具体的には、炉１０１の内部における加熱領域Ｒthには温度勾配が形成されており、例えば加熱領域Ｒthの上部の温度は相対的に高温、例えば１０５０℃に設定されていると共に、加熱領域Ｒthの下部の温度は相対的に低温、例えば８５０℃に設定されている。

また、加熱装置１００は、加熱対象の基板１０が載置される載置台１０３と、載置台１０３を支持し且つ上下動させる支持部１０４とを備えている。載置台１０３の上下動により、基板１０を加熱領域Ｒthにおける任意の位置に保持することができ、それによって基板１０に対して所望の温度で熱処理を行なうことができる。尚、図９は、載置台１０３が、基板１０に対する熱処理が開始される前の初期位置Ｈ０にあるときの様子を示している。また、載置台１０３は、基板１０をその裏面が部分的に露出するように保持する。

また、加熱装置１００は、炉１０１、コイル１０２及び載置台１０３を収納するカバー１０５と、カバー１０５に設けられた基板挿入・取り出し部１０６とを備えている。すなわち、基板挿入・取り出し部１０６からカバー１０５の内部に挿入された基板１０は載置台１０３に載置された後、加熱領域Ｒthにおいて所望の温度で熱処理される。尚、支持部１０４における載置台１０３の反対側の端部はカバー１０５の外側まで伸びている。

ところで、後述するように、加熱中の基板１０の温度を知るためには、基板１０の輻射率（放射率）ε及びパイロメータ強度（放射輝度）Ｉを測定する必要がある。そのため、カバー１０５の下部に、載置台１０３に載置された基板１０の裏面に対して所定の波長の測定光を照射する光照射部１０７が設けられていると共に、カバー１０５の外側における支持部１０４の下方に、基板１０の裏面における輻射率ε及びパイロメータ強度Ｉを測定するための計測部１０８が設けられている。

以下、輻射率ε及びパイロメータ強度Ｉから温度Ｔを求めることができる理由について説明する。一般に、黒体（Blackbody ）のパイロメータ強度Ｉは、プランクの式に基づき次の［式１］で表される。

Ｉ（Ｔ，λ）
＝２πＣ１／λ⁵ ・（ｅｘｐ（（Ｃ２／（λＴ））−１）） ……［式１］
［式１］に示すように、黒体のパイロメータ強度Ｉは、黒体の温度Ｔ及び測定光の波長λの関数になっている。すなわち、パイロメータ強度Ｉは温度Ｔ及び波長λによって変化する。尚、［式１］において、Ｃ１及びＣ２は定数である。

また、通常の物体（非黒体）のパイロメータ強度Ｉは、その物体の輻射率εを用いて次の［式２］で表される。

Ｉ（Ｔ，λ）
＝ε（Ｔ，λ）・２πＣ１／λ⁵ ・（ｅｘｐ（（Ｃ２／（λＴ））−１）） ……［式２］
［式２］に示すように、輻射率εも物体の温度Ｔ及び測定光の波長λの関数である。従って、波長λが特定の値である場合、温度Ｔは輻射率ε及びパイロメータ強度Ｉの関数となり、次の［式３］で表される。

Ｔ＝ｆ（ε（輻射率）、Ｉ（パイロメータ強度）） ……［式３］
［式３］に示すように、輻射率ε及びパイロメータ強度Ｉを測定することによって、熱処理中における物体の実際の温度Ｔを求めることができる。尚、［式３］において、ｆはε及びＩを変数とする関数（温度計測関数）である。また、物体に照射される測定光が物体によって全て反射される場合、物体の輻射率εは０であり、物体に照射される測定光が物体によって全て吸収される場合（つまり物体が黒体である場合）、物体の輻射率εは１である。すなわち、測定光の反射率をｒとすると、ε＝１−ｒである。従って、輻射率εを直接測定する代わりに、反射率ｒを測定し、測定された反射率ｒを用いて輻射率εを間接的に測定することができる。

前述のように、図９に示す加熱装置１００においては、炉１０１の加熱領域Ｒthの全体が均一な温度になるのではなく、加熱領域Ｒthに温度勾配が形成される。すなわち、炉１０１の上部に行くに従って温度が高くなる。従って、基板１０に対して所望の温度で熱処理を行なうためには、炉１０１の内部において基板１０を載置台１０３及び支持部１０４を用いて保持する位置が重要になる。このとき、基板１０の熱処理温度をフィードバック制御するために、輻射率ε及びパイロメータ強度Ｉを測定して、該測定結果に基づいて加熱中の基板１０の温度を求める必要がある。ところが、従来、加熱中の基板１０の温度を正確に求めることは困難であった。

前記に鑑み、本発明は、加熱中の物体の温度を正確に測定できるようにすると共に、それにより物体に対して正確な温度で熱処理を行なえるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するために、本願発明者らは、様々な材料よりなる複数の膜が基板上に積層された、色々な実験サンプルについて加熱中の輻射率εの測定を行なう比較実験を行なってみた。

図１０（ａ）は、各実験サンプル（サンプルＡ、Ｂ、Ｃ）の膜構成（各膜の構成材料及び厚さ）を示しており、図１０（ｂ）〜（ｄ）は、サンプルＡ、Ｂ、Ｃのそれぞれの断面構成を示している。

図１０（ｂ）に示すように、サンプルＡは、シリコン基板５０と、シリコン基板５０上に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）５１と、ＳｉＯ₂ 膜５１上に形成された、ノンドープのポリシリコン膜５２と、ポリシリコン膜５２上にＴＥＯＳ（tetra ethyl ortho silicate）を用いて形成されたシリコン酸化膜（ＴＥＯＳ酸化膜）５３と、ＴＥＯＳ酸化膜５３上に形成された、リンがドープされたポリシリコン膜（第１のＤＰＳ（Doped Poly-Silicon）膜）５４と、第１のＤＰＳ膜５４上に形成されたシリコン窒化膜(ＳｉＮ膜)５５と、ＳｉＮ膜５５上に形成された、リンがドープされたポリシリコン膜（第２のＤＰＳ膜）５６とを備えている。

また、図１０（ｃ）に示すように、サンプルＢは、シリコン基板５０と、シリコン基板５０上に形成されたＳｉＯ₂ 膜５１と、ＳｉＯ₂ 膜５１上に形成された、ノンドープのポリシリコン膜５２と、ポリシリコン膜５２上に形成されたＴＥＯＳ酸化膜５３と、ＴＥＯＳ酸化膜５３上に形成された第１のＤＰＳ膜５４と、第１のＤＰＳ膜５４上に形成されたＳｉＮ膜５５とを備えている。すなわち、サンプルＢにおいては、第２のＤＰＳ膜５６が形成されていない。

また、図１０（ｄ）に示すように、サンプルＣは、シリコン基板５０と、シリコン基板５０上に形成されたＳｉＯ₂ 膜５１と、ＳｉＯ₂ 膜５１上に形成された、ノンドープのポリシリコン膜５２と、ポリシリコン膜５２上に形成されたＴＥＯＳ酸化膜５３と、ＴＥＯＳ酸化膜５３上に形成されたＳｉＮ膜５５とを備えている。すなわち、サンプルＣにおいては、第１のＤＰＳ膜５４及び第２のＤＰＳ膜５６が形成されていない。

尚、図１０（ａ）に示すように、ＳｉＯ₂ 膜５１の膜厚は３ｎｍであり、ポリシリコン膜５２の膜厚は２００ｎｍであり、ＴＥＯＳ酸化膜５３の膜厚は２０ｎｍであり、第１のＤＰＳ膜５４の膜厚は２５０ｎｍであり、ＳｉＮ膜５５の膜厚は５０ｎｍであり、第２のＤＰＳ膜５６の膜厚は１００ｎｍである。

図１１（ａ）は、前述のサンプルＡ、Ｂ、Ｃのそれぞれについて、熱処理時間（詳しくは熱処理を開始してからの経過時間）と輻射率εとの関係を求めた結果を示している。尚、図１１（ａ）において、横軸は熱処理時間を示しており、縦軸は輻射率εを示している。ここで、輻射率εは、各サンプルの基板表面（各種材料よりなる多層膜が形成されている主面）に対して、所定の波長の光を照射することによって測定されたものである。また、各サンプルに対する熱処理の温度は１０００度である。図１１（ａ）に示すように、サンプルＡ（ＤＰＳ膜が２層）及びサンプルＢ（ＤＰＳ膜が１層）の場合、熱処理時間の経過に伴って輻射率εが大きく変動していることがわかる。それに対して、サンプルＣ（ＤＰＳ膜なし）の場合、図１１（ａ）に示すように、熱処理時間が経過しても輻射率εはほとんど変動していないことがわかる。この結果から、サンプル中におけるＤＰＳ膜の存在によって輻射率εが変動してしまうことが明らかになった。

ところで、図１１（ａ）に示すサンプルＣの場合においても、輻射率εは全く変動していないわけではなく、若干変動している。後述するように、輻射率εに測定誤差が生じると、輻射率εに基づき求められる温度にも誤差が生じてしまう。しかし、サンプルＣ程度の輻射率εの変動、例えば変動率Ｆが５％以内の輻射率εの変動は、問題となるような温度誤差を生じさせない。すなわち、サンプルＣの場合、輻射率εは実質的に変動していないと言える。ここで、変動率Ｆ＝（ε_max （輻射率εの最大値）ーε_min （輻射率εの最小値））／ε_max である。以上のことから、本出願に係る明細書及び請求の範囲において、「輻射率εを変動させる」とは、「輻射率εを実質的に変動させる（例えば変動率Ｆが５％を越える程度に輻射率εを変動させる）」ことを意味するものとする。

図１１（ｂ）は、図１０（ａ）に示す条件で作成された、複数のサンプルＢ（サンプルＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５）について、熱処理時間と輻射率εとの関係を求めた結果を示している。尚、図１１（ｂ）においても、横軸は熱処理時間を示しており、縦軸は輻射率εを示している。ここで、輻射率εの測定方法及び各サンプルに対する熱処理の温度は、図１１（ａ）の場合と同様である。図１１（ｂ）に示すように、サンプル中にＤＰＳ膜が存在する場合、同じ条件（膜構成材料及び膜厚等）で作成されたサンプルであっても、熱処理時間の経過に伴う輻射率εの変動の様子は全く異なっている。

すなわち、本願発明者らの比較実験の結果、同じ物体の輻射率εを計測する場合であっても、異なる計測値が得られる可能性があることがわかった。従って、サンプルＡ、Ｂのように、熱処理時間の経過と共に輻射率εを変動させる材料、例えばＤＰＳ膜を有する場合、該材料を輻射率εの計測前に取り除いておかなければ輻射率εの正確な測定を行なえないことがわかった。また、サンプルＡのように、輻射率εの測定のための光（測定光）が直接ＤＰＳ膜（第２のＤＰＳ膜５６）に照射される場合だけではなく、言い換えると、ＤＰＳ膜が最表面に存在する場合だけではなく、サンプルＢのように、ＤＰＳ膜（第１のＤＰＳ膜５４）が他の材料よりなる膜（ＳｉＮ膜５５）に覆われている場合にも輻射率εの変動が生じている。従って、基板における測定光が照射される主面上に形成されているＤＰＳ膜は、輻射率εの計測前に全て取り除いておく必要がある。

尚、サンプルＡ、Ｂにおいて、熱処理時間の経過に伴って全ての膜が輻射率εを変動させているわけではなく、ＳｉＯ₂ 膜又はＳｉＮ膜等のように輻射率εの変動に無関係な膜もある。また、ＤＰＳ膜によって輻射率εが変動する理由は、熱処理によってＤＰＳ膜の物性、例えばグレインサイズが変化するためであると推測される。また、同一の条件で作成されたサンプルＢ１〜Ｂ５において輻射率εの変動の様子が異なる理由は、サンプル毎にグレインサイズの変化の仕方が異なるためであると推測される。

以上に説明したように、熱処理中の物体の輻射率εを正確に測定するためには、輻射率εの変動の原因となる材料を予め取り除いておく必要がある。ここで、図９に示す加熱装置１００のように、加熱物体（具体的には基板１０）の輻射率ε及びパイロメータ強度Ｉを測定することにより、加熱物体の温度Ｔを求め、その結果に基づいて温度Ｔつまり熱処理温度を制御する熱処理装置においては、輻射率εの測定誤差がそのまま温度Ｔの誤差になる。具体的には、輻射率εの測定誤差をΔεとし、温度Ｔの誤差をΔＴとすると、［式２］から、ΔεとΔＴとの関係を次の［式４］で表すことができる。

ΔＴ＝Ｔ² ・λ・Δε／（Ｃ１・ε） ……［式４］
［式４］に示すように、輻射率εの測定誤差Δεが大きくなるに従って、温度Ｔの誤差ΔＴも大きくなる。従って、図９に示すような熱処理装置を用いて物体に対して正確な温度で熱処理を行なうためには、熱処理時の物体における輻射率εの測定面（具体的には測定光の照射面となる基板１０の裏面）の状態を把握して、少なくとも測定光照射面からは輻射率εの時間変動の原因となる材料を予め除去しておくことにより、輻射率εを正確に測定し、それによって物体の温度Ｔを正確に求められるようにすることが不可欠である。

本発明は、以上の知見に基づきなされたものであって、具体的には、本発明に係る第１の温度測定方法は、一の面と他の面とを有する物体における前記一の面上に、前記物体の輻射率εを変動させる材料よりなる膜を形成する工程（ａ）と、前記物体の前記他の面上に形成されている前記材料を除去する工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）よりも後に、前記物体の前記一の面上に形成されている前記材料よりなる膜を加熱しながら前記物体の前記他の面における前記輻射率εを測定する工程（ｃ）と、測定された前記輻射率εに基づき、加熱中の前記物体の温度を算出する工程（ｄ）とを備え、前記工程（ｃ）は、前記輻射率εの測定光の照射面となる前記物体の前記他の面上には前記材料よりなる膜が形成されていない状態で行われる。

第１の温度測定方法によると、物体の他の面上に、輻射率εを変動させる材料よりなる膜が存在しない状態で、物体の他の面における輻射率εを測定し、測定された輻射率εに基づき、加熱中の物体の温度を算出する。このため、物体の加熱中に輻射率εが変動することを防止できるので、輻射率εを正確に測定できる。その結果、測定された輻射率εに基づいて、例えば輻射率εの測定値を温度計測関数（［式３］参照）に代入することによって、加熱中の物体の温度を正確に求めることができる。

第１の温度測定方法において、前記工程（ａ）で、前記物体の前記他の面上にも前記材料よりなる膜が同時に形成されてもよい。

本発明に係る第２の温度測定方法は、一の面と他の面とを有する物体における前記一の面上に、ドーピングされたポリシリコンを形成する工程（ａ）と、前記物体の前記他の面上に形成されている前記ドーピングされたポリシリコンを除去する工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）よりも後に、前記物体の前記一の面上に形成されている前記ドーピングされたポリシリコンを加熱しながら前記物体の前記他の面における前記輻射率εを測定する工程（ｃ）と、測定された前記輻射率εに基づき、加熱中の前記物体の温度を算出する工程（ｄ）とを備え、前記工程（ｃ）は、前記輻射率εの測定光の照射面となる前記物体の前記他の面上には前記ドーピングされたポリシリコンが形成されていない状態で行われる。

第２の温度測定方法によると、物体の他の面上に、ドーピングされたポリシリコンが存在しない状態で、物体の他の面における輻射率εを測定し、測定された輻射率εに基づき、加熱中の物体の温度を算出する。このため、物体の加熱中に輻射率εが変動することを防止できるので、輻射率εを正確に測定できる。その結果、測定された輻射率εに基づいて、例えば輻射率εの測定値を温度計測関数（［式３］参照）に代入することによって、加熱中の物体の温度を正確に求めることができる。

第２の温度測定方法において、前記工程（ａ）で、前記物体の前記他の面上にも前記ドーピングされたポリシリコンが同時に形成されてもよい。

第１又は第２の温度測定方法において、前記工程（ｃ）は、前記物体の前記他の面における反射率ｒを測定し、測定された前記反射率ｒを用いて前記輻射率εを測定する工程を含んでいてもよい。

本発明によると、物体の他の面上に、輻射率εを変動させる材料よりなる膜が存在しない状態で、物体の他の面における輻射率εを測定し、測定された輻射率εに基づき、加熱中の物体の温度を算出する。すなわち、物体の加熱中に輻射率εが変動することを防止できるため、輻射率εを正確に測定できる結果、測定された輻射率εに基づいて、加熱中の物体の温度を正確に求めることができる。

以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法について、メモリセル領域とロジック領域とを有するＤＲＡＭ混載型の半導体装置の場合を例として、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明においては、基板におけるトランジスタ等のデバイスが形成される主面を表面とし、デバイスが形成されない主面を裏面とする。言い換えると、基板の表面上にはデバイスを形成する一方、基板の裏面上にはデバイスを形成しない。

図１（ａ）〜（ｃ）、図２（ａ）〜（ｃ）、図３（ａ）〜（ｃ）、図４（ａ）、（ｂ）及び図５（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、メモリセル領域Ｒ１及びロジック領域Ｒ２が設けられるシリコン基板１０の表面上に、ゲート絶縁膜となる厚さ３ｎｍ程度のシリコン酸化膜１１を熱処理により形成する。このとき、シリコン基板１０の裏面上にもシリコン酸化膜１１が形成される。次に、シリコン基板１０を、例えば図６に示すような、ポリシリコン膜堆積用のＣＶＤ装置にセットして、シリコン酸化膜１１上に、ゲート電極となる厚さ２００ｎｍ程度のポリシリコン（ノンドープ）膜１２を堆積する。具体的には、図６に示すように、シリコンウェハよりなるシリコン基板１０は、石英管３０内に設けられたウェハホルダー３１上に縦向きに、つまり、シリコン基板１０の表面及び裏面がウェハホルダー３１に対して垂直になるように設置される。石英管３０はガス導入口３２及びガス排出口３３を有しており、ガス導入口３２から、ポリシリコン膜形成用のプロセスガス３４、例えばＳｉＨ₄ ガスが供給されると、シリコン基板１０上にポリシリコン膜１２が堆積される。このとき、シリコン基板１０の裏面はウェハホルダー３１上で小さな固定部材（図示省略）によって支えられているだけなので、基板裏面もプロセスガス３４にさらされる結果、基板裏面側にもポリシリコン膜１２が堆積される。

次に、シリコン基板１０をＣＶＤ装置から取り出した後、基板表面側のポリシリコン膜１２に対してエッチングを行なうことにより、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１０の表面におけるメモリセル領域Ｒ１及びロジック領域Ｒ２のそれぞれの上に、ポリシリコン膜１２よりなるゲート電極１２Ａを、シリコン酸化膜１１よりなるゲート絶縁膜１１Ａを介して形成する。このとき、基板裏面側は、ポリシリコン膜１２が全面に亘って形成された状態のままである。次に、ゲート電極１２Ａをマスクとしてシリコン基板１０の表面に対してイオン注入を行ない、それによりトランジスタのエクステンション領域となる不純物拡散層（図示省略）を形成する。このとき、シリコン基板１０の裏面に対してはイオン注入は行なわれない。

次に、シリコン基板１０を、例えば図６と同様のＣＶＤ装置にセットして、シリコン基板１０の表面上に全面に亘って厚さ２０ｎｍ程度のＴＥＯＳ酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）１３を堆積する。このとき、基板裏面側にもＴＥＯＳ酸化膜１３が堆積される。その後、シリコン基板１０をＣＶＤ装置から取り出した後、基板表面側のＴＥＯＳ酸化膜１３に対してエッチバックを行なうことにより、図１（ｃ）に示すように、ゲート電極１２Ａの側面に、ＴＥＯＳ酸化膜１３よりなるサイドウォール１３Ａを形成する。次に、ゲート電極１２Ａ及びサイドウォール１３Ａをマスクとしてシリコン基板１０の表面に対してイオン注入を行ない、それによりトランジスタのソース・ドレイン領域となる不純物拡散層（図示省略）を形成する。これにより、メモリセル領域Ｒ１においては、ゲート電極１２Ａ等から構成されるメモリセル用トランジスタが形成されると共に、ロジック領域Ｒ２においては、ゲート電極１２Ａ等から構成されるロジック用トランジスタが形成される。尚、シリコン基板１０の裏面に対してはイオン注入は行なわれない。

次に、シリコン基板１０を、例えば図７に示すような、シリコン酸化膜堆積用のプラズマＣＶＤ装置にセットして、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１０の表面上に全面に亘って、シリコン酸化膜よりなる厚さ５００ｎｍ程度の平坦化膜１４を形成する。具体的には、図７に示すように、シリコンウェハよりなるシリコン基板１０は、プラズマＣＶＤ装置のウェハホルダー４０上に横向きに、つまり、シリコン基板１０の裏面がウェハホルダー４０に密着するように設置される。そして、シリコン基板１０の表面が、例えばＳｉＨ₄ 、Ｎ₂ Ｏ、ＰＨ₃ 及びＢ₂Ｈ₆を含むガスよりなるプラズマ４１にさらされると、平坦化膜１４となるシリコン酸化膜が形成される。このとき、シリコン基板１０の裏面はプラズマ４１にさらされないので、基板裏面側にはシリコン酸化膜は堆積されない。

以下の工程においては、メモリセル領域Ｒ１のみにメモリセルを形成していく。言い換えると、ロジック領域Ｒ２にはメモリセルを形成しない。すなわち、シリコン基板１０をプラズマＣＶＤ装置から取り出した後、まず、図２（ａ）に示すように、平坦化膜１４に、シリコン基板１０におけるメモリセル領域Ｒ１の所定の部分（メモリセル用トランジスタのソース・ドレイン領域）に達するコンタクトホール１４ａを形成する。

次に、シリコン基板１０を、例えば図６と同様のＣＶＤ装置にセットすると共に例えばＳｉＨ₄ ガス及びＰＨ₃ ガスをプロセスガスとして用いることによって、図２（ｂ）に示すように、コンタクトホール１４ａを含むシリコン基板１０の表面上に全面に亘って厚さ２５０ｎｍ程度の、リンがドープされたポリシリコン膜（第１のＤＰＳ膜）１５を堆積する。このとき、基板裏面側にも第１のＤＰＳ膜１５が堆積される。

次に、シリコン基板１０をＣＶＤ装置から取り出した後、図２（ｃ）に示すように、基板表面側の第１のＤＰＳ膜１５におけるコンタクトホール１４ａの外側の部分をエッチングにより除去することによって、第１のＤＰＳ膜１５よりなるプラグ１５Ａを形成する。このとき、基板裏面側の第１のＤＰＳ膜１５も、基板表面側の第１のＤＰＳ膜１５の不要部分と同時に又は異なるタイミングで除去する。例えば、基板裏面側の第１のＤＰＳ膜１５を残存させたままプラグ１５Ａを形成した後、基板表面側をレジスト膜によって覆い、その後、基板裏面側の第１のＤＰＳ膜１５をウェットエッチングにより除去してもよい。このようにすると、シリコン基板１０の輻射率εを変動させる原因となる膜が除去される。

次に、シリコン基板１０を、例えば図７と同様のプラズマＣＶＤ装置にセットして、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１０の表面上に全面に亘って厚さ５００ｎｍ程度のＢＰＳＧ（boro-phospho silicate glass ）膜１６を堆積する。このとき、基板裏面側にはＢＰＳＧ膜１６は堆積されない。その後、ＢＰＳＧ膜１６に開口部１６ａを、メモリセル領域Ｒ１に形成されているプラグ１５Ａが露出するように形成する。

次に、シリコン基板１０をプラズマＣＶＤ装置から取り出した後、シリコン基板１０を、例えば図６と同様のＣＶＤ装置にセットすると共に例えばＳｉＨ₄ ガス及びＰＨ₃ ガスをプロセスガスとして用いることによって、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１０の表面上に全面に亘って厚さ１００ｎｍ程度の、リンがドープされたポリシリコン膜（第２のＤＰＳ膜）１７を開口部１６ａが途中まで埋まるように堆積する。このとき、基板裏面側にも第２のＤＰＳ膜１７が堆積される。

次に、シリコン基板１０をＣＶＤ装置から取り出した後、図３（ｃ）に示すように、シリコン基板１０の表面上に全面に亘ってレジスト膜１８を形成し、レジスト膜１８により基板表面側の第２のＤＰＳ膜１７を覆いながら、基板裏面側の第２のＤＰＳ膜１７をウェットエッチングにより除去する。このようにすると、シリコン基板１０の輻射率εを変動させる原因となる膜が除去される。その後、図４（ａ）に示すように、基板表面側の第２のＤＰＳ膜１７における開口部１６ａの外側の部分をエッチングにより除去する。これにより、開口部１６ａの壁面及び底部に残存する第２のＤＰＳ膜１７よりなり、プラグ１５Ａと接続する容量下部電極１７Ａが形成される。

次に、図４（ｂ）に示すように、ＢＰＳＧ膜１６を除去した後、例えば図６と同様のＣＶＤ装置を用いて、図５（ａ）に示すように、シリコン基板１０の表面上に全面に亘って、容量絶縁膜となる厚さ５０ｎｍ程度のシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）１９、及び、容量上部電極（プレート電極）となる厚さ１００ｎｍ程度の、リンがドープされたポリシリコン膜（第３のＤＰＳ膜）２０を順次堆積する。このとき、基板裏面側にもＳｉＮ膜１９及び第３のＤＰＳ膜２０が堆積される。

次に、シリコン基板１０をＣＶＤ装置から取り出した後、図５（ｂ）に示すように、基板表面側のＳｉＮ膜１９及び第３のＤＰＳ膜２０をエッチングによりパターン化することによって、容量下部電極１７Ａの上に、第３のＤＰＳ膜２０よりなる容量上部電極２０Ａを、ＳｉＮ膜１９よりなる容量絶縁膜１９Ａを介して形成する。このとき、基板裏面側の第３のＤＰＳ膜２０も、基板表面側の第３のＤＰＳ膜２０の不要部分と同時に又は異なるタイミングで除去する。例えば、基板裏面側の第３のＤＰＳ膜２０を残存させたまま容量上部電極２０Ａを形成した後、基板表面側をレジスト膜によって覆い、その後、基板裏面側の第３のＤＰＳ膜２０をウェットエッチングにより除去してもよい。このようにすると、シリコン基板１０の輻射率εを変動させる原因となる膜が除去される。

以上に説明した工程により、基板表面側のメモリセル領域Ｒ１には、ゲート電極１２Ａ等から構成されるトランジスタと、容量下部電極１７Ａ、容量絶縁膜１９Ａ及び容量上部電極２０Ａから構成されるキャパシタとを備えたメモリセルが形成されると共に、基板表面側のロジック領域Ｒ２には、ゲート電極１２Ａ等から構成されるロジック用トランジスタが形成される。また、以上に説明した工程が終了した時点において、製造中の半導体装置は、基板裏面側（つまり輻射率εを測定する面側）にＤＰＳ膜が存在しない膜構成を有している。

次に、メモリセル及びロジック用トランジスタが形成されたシリコン基板１０（以下、単に基板１０とする）に対して熱処理を行なう。具体的には、一般的な熱処理装置である、例えば図９に示すようなホットウォールタイプの加熱装置１００を用いて、基板１０上のトランジスタのソース・ドレイン領域に含まれる不純物を活性化させるための熱処理を行なう。このとき、加熱中の基板１０の裏面に対して所定の波長の測定光を照射することによって基板１０の輻射率εを測定し、測定された輻射率εに基づいて基板１０の温度Ｔをモニターしながら、加熱領域Ｒth（図９参照）における所望の温度（例えば１０００℃）と対応する位置に基板１０を保持して例えば１０秒間の熱処理を行なう。また、図９に示すように、基板１０は、基板挿入・取り出し部１０６から加熱装置１００のカバー１０５の内部に挿入されて載置台１０３の上に設置される。また、基板１０は、支持部１０４を用いて載置台１０３を上下動させることにより、コイル１０２によって生じる炉１０１内の加熱領域Ｒthにおける所望の位置に保持される。また、加熱装置１００の下部に設けられた光照射部１０７からは、波長λが例えば９５０ｎｍの光が基板１０の裏面に対して照射されると共に、支持部１０４の下方に設けられた計測部１０８によって、基板１０の裏面における輻射率ε及びパイロメータ強度Ｉが測定され、該測定結果に基づいて基板１０の温度Ｔがモニターされる。

図８（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法において熱処理を実施しているときの加熱装置の内部の様子を模式的に示している。

まず、図８（ａ）に示すように、基板１０に対する熱処理が開始すると、載置台１０３と共に基板１０を支持部１０４によって初期位置Ｈ０（図９参照）から加熱初期位置Ｈ１（対応する熱処理温度：１０５０℃）まで上昇させる。その後、基板１０を加熱初期位置Ｈ１にしばらく保持しながら、基板１０の温度Ｔをモニターする。

次に、モニターされた温度Ｔが１０００℃近くまで上昇してきたら、図８（ｂ）に示すように、基板１０を支持部１０４によって加熱初期位置Ｈ１（図８（ａ）参照）から加熱保持位置Ｈ２（対応する熱処理温度：１０００℃）まで下降させる。その後、基板１０を加熱保持位置Ｈ２に１０秒間保持することによって、基板１０に対して１０００℃の熱処理を１０秒間行なう。このとき、基板１０の裏面における輻射率εを測定し、測定された輻射率εに基づいて基板１０の温度Ｔをモニターすることによって、温度Ｔが１０００℃に保たれるように基板１０の保持位置のフィードバック制御を行なう。

基板１０に対する熱処理の終了後は、基板１０を支持部１０４によって加熱保持位置Ｈ２から初期位置Ｈ０まで下降させる。その後、基板１０を自然冷却させた後、基板挿入・取り出し部１０６から基板１０を加熱装置１００の外側に取り出す。

本実施形態における、その後の工程についての説明は省略するが、本実施形態によると、次のような効果が得られる。すなわち、前述の基板１０に対する熱処理工程（具体的にはトランジスタのソース・ドレイン領域に含まれる不純物を活性化させるための熱処理工程）において、基板１０の裏面の輻射率εを測定するときに、基板１０の表面上には、輻射率εを変動させる材料よりなる膜、具体的にはプラグ１５Ａを構成する第１のＤＰＳ膜１５、容量下部電極１７Ａを構成する第２のＤＰＳ膜１７、及び容量上部電極２０Ａを構成する第３のＤＰＳ膜２０が形成されている。一方、基板１０の裏面上には、輻射率εを変動させる材料よりなる膜、具体的にはＤＰＳ膜は形成されていない。このため、基板１０の加熱中に輻射率εが変動することを防止できるので、輻射率εを正確に測定できる。その結果、測定された輻射率εに基づいて、例えば輻射率εの測定値を温度計測関数（［式３］参照）に代入することによって、加熱中の基板１０の温度を正確に求めることができる。従って、基板１０の加熱温度を正確に制御しながら基板１０に対して熱処理を行なうことができるので、設計通りの特性を発揮するトランジスタを備えた半導体装置を製造することができる。

また、本実施形態によると、基板１０の表面上に第１のＤＰＳ膜１５、第２のＤＰＳ膜１７及び第３のＤＰＳ膜２０のそれぞれを形成する際に基板裏面側に同時に形成された各ＤＰＳ膜をその都度除去する。より具体的には、まず、基板１０の表面におけるメモリセル領域Ｒ１の上に、プラグ１５Ａとなる第１のＤＰＳ膜１５、容量下部電極１７Ａとなる第２のＤＰＳ膜１７、及び容量上部電極２０Ａとなる第３のＤＰＳ膜２０のそれぞれを形成する。その後、基板表面側の各ＤＰＳ膜の不要部分（メモリセル領域Ｒ１を除く基板表面側に形成された各ＤＰＳ膜）を除去すると共に基板裏面側の各ＤＰＳ膜を除去した後、基板１０の輻射率εを測定しながら基板１０に対して熱処理を行なう。すなわち、基板１０の裏面上に形成されたＤＰＳ膜を除去する工程を加えるだけで、輻射率εを正確に測定でき、それによって基板１０に対する熱処理を正確な温度で行なうことができるので、設計通りの特性を有するＤＲＡＭ混載型の半導体装置を製造することができる。

尚、本実施形態において、基板１０の裏面上に形成された、ＤＰＳ膜（第１のＤＰＳ膜１５、第２のＤＰＳ膜１７及び第３のＤＰＳ膜２０）のみを除去したが、該ＤＰＳ膜に加えて、シリコン酸化膜１１、ポリシリコン（ノンドープ）膜１２、ＴＥＯＳ酸化膜１３又はＳｉＮ膜１９を基板裏面側から除去してもよい。また、各ＤＰＳ膜は、リン以外の不純物がドープされたポリシリコン膜であってもよい。

また、本実施形態において、基板１０の表面上に第１のＤＰＳ膜１５、第２のＤＰＳ膜１７及び第３のＤＰＳ膜２０を形成するときに基板裏面側にも各ＤＰＳ膜が形成された。しかし、これに代えて、例えば図７と同様の装置を用いて各ＤＰＳ膜の堆積を行なうことにより、つまり、基板裏面がウェハホルダーに密着した状態でＣＶＤ装置を用いて各ＤＰＳ膜の堆積を行なうことにより、基板裏面側に各ＤＰＳ膜が形成されないようにしてもよい。このようにすると、基板裏面側に形成された各ＤＰＳ膜を除去する工程を省略できる。但し、基板裏面側にＤＰＳ膜が形成された場合にも、基板表面側のＤＰＳ膜の不要部分と同時に基板裏面側のＤＰＳ膜を除去すれば、実質的な工程数の増加を回避できる。

また、本実施形態において、容量下部電極１７Ａ、容量絶縁膜１９Ａ及び容量上部電極２０Ａから構成されるキャパシタの形成前に、ゲート電極１２Ａ等から構成されるトランジスタのソース・ドレイン領域を形成するために、基板１０に対してイオン注入を行なった。しかし、これに代えて、キャパシタの形成後に、例えば平坦化膜１４を部分的に開口して基板１０に対してイオン注入を行なうことにより、前述のソース・ドレイン領域を形成してもよい。

また、本実施形態において、基板１０の表面上にＤＰＳ膜が形成されており、且つ輻射率εを測定するための光の照射面となる基板１０の裏面上にＤＰＳ膜が形成されていない状態で、ソース・ドレイン領域に含まれる不純物を活性化させるための熱処理を行なった。しかし、これに限られず、基板１０の表面上に輻射率εを変動させる材料よりなる膜が形成されており、且つ測定光の照射面となる基板１０の裏面上に輻射率εを変動させる材料よりなる膜が形成されていない状態で、いかなる熱処理を行なっても、本実施形態と同様の効果が得られる。

また、本実施形態において、図９に示すようなホットウォールタイプの熱処理装置、具体的には、加熱領域Ｒthに温度勾配が形成されると共に加熱領域Ｒthにおける基板保持位置の制御により基板加熱温度が制御される加熱装置を用いた。しかし、本実施形態で使用可能な熱処理装置は、基板載置部と、基板載置部に載置された基板を加熱する加熱部と、基板載置部に載置された基板の裏面における輻射率εを測定する測定部とを有するものであれば、特に限定されるものではない。

また、本実施形態において、半導体装置の製造における基板に対する熱処理、並びに、該熱処理に伴う基板の輻射率ε及び温度Ｔの測定を対象とした。しかし、本発明は、これに限られることなく、色々な物体に対する熱処理、又は、該物体の輻射率ε若しくは温度Ｔの測定を対象とできることは言うまでもない。

さらに、本実施形態において、基板１０の裏面における輻射率εを直接測定したが、これに代えて、基板１０の裏面における反射率ｒを測定し、測定された反射率ｒを用いて輻射率εを間接的に測定してもよい。すなわち、輻射率εは、ε＝１−ｒの関係式から求められるからである。

本発明は、基板等の物体の輻射率を計測することにより物体の温度を正確に測定する方法として有用である。

図１（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。 図４（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。 図６は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において用いられる、ＣＶＤ装置の断面構成の一例を模式的に示す図である。 図７は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において用いられる、プラズマＣＶＤ装置の断面構成の一例を模式的に示す図である。 図８（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において熱処理を実施しているときの加熱装置の内部の様子を模式的に示す図である。 図９は本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法において用いられる、一般的なホットウォールタイプの熱処理装置の断面構成を模式的に示す図である。 図１０（ａ）は、輻射率εの測定を行なう比較実験において本願発明者らが用いたサンプルＡ、Ｂ、Ｃの膜構成（各膜の構成材料及び厚さ）を示す図であり、図１０（ｂ）はサンプルＡの断面図であり、図１０（ｃ）はサンプルＢの断面図であり、図１０（ｄ）はサンプルＣの断面図である。 図１１（ａ）は、サンプルＡ、Ｂ、Ｃのそれぞれについて、熱処理時間と輻射率εとの関係を求めた結果を示す図であり、図１１（ｂ）は、複数のサンプルＢ（サンプルＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５）について、熱処理時間と輻射率εとの関係を求めた結果を示す図である。

符号の説明

１０ 基板（シリコン基板）
１１ シリコン酸化膜
１１Ａ ゲート絶縁膜
１２ ポリシリコン膜
１２Ａ ゲート電極
１３ ＴＥＯＳ酸化膜
１３Ａ サイドウォール
１４ 平坦化膜
１４ａ コンタクトホール
１５ 第１のＤＰＳ膜
１５Ａ プラグ
１６ ＢＰＳＧ膜
１６ａ 開口部
１７ 第２のＤＰＳ膜
１７Ａ 容量下部電極
１８ レジスト膜
１９ ＳｉＮ膜
１９Ａ 容量絶縁膜
２０ 第３のＤＰＳ膜
２０Ａ 容量上部電極
３０ 石英管
３１ ウェハホルダー
３２ ガス導入口
３３ ガス排出口
３４ プロセスガス
４０ ウェハホルダー
４１ プラズマ
５０ シリコン基板
５１ ＳｉＯ₂ 膜
５２ ポリシリコン膜
５３ ＴＥＯＳ酸化膜
５４ 第１のＤＰＳ膜
５５ ＳｉＮ膜
５６ 第２のＤＰＳ膜
１００ 加熱装置
１０１ 炉
１０２ コイル
１０３ 載置台
１０４ 支持部
１０５ カバー
１０６ 基板挿入・取り出し部
１０７ 光照射部
１０８ 計測部
Ｒ１ メモリセル領域
Ｒ２ ロジック領域
Ｒth 加熱領域

Claims (5)

1. 一の面と他の面とを有する物体における前記一の面上に、前記物体の輻射率εを変動させる材料よりなる膜を形成する工程（ａ）と、
   前記物体の前記他の面上に形成されている前記材料を除去する工程（ｂ）と、
   前記工程（ｂ）よりも後に、前記物体の前記一の面上に形成されている前記材料よりなる膜を加熱しながら前記物体の前記他の面における前記輻射率εを測定する工程（ｃ）と、
   測定された前記輻射率εに基づき、加熱中の前記物体の温度を算出する工程（ｄ）とを備え、
   前記工程（ｃ）は、前記輻射率εの測定光の照射面となる前記物体の前記他の面上には前記材料よりなる膜が形成されていない状態で行われることを特徴とする温度測定方法。
2. 請求項１に記載の温度測定方法において、
   前記工程（ａ）で、前記物体の前記他の面上にも前記材料よりなる膜が同時に形成されることを特徴とする温度測定方法。
3. 一の面と他の面とを有する物体における前記一の面上に、ドーピングされたポリシリコンを形成する工程（ａ）と、
   前記物体の前記他の面上に形成されている前記ドーピングされたポリシリコンを除去する工程（ｂ）と、
   前記工程（ｂ）よりも後に、前記物体の前記一の面上に形成されている前記ドーピングされたポリシリコンを加熱しながら前記物体の前記他の面における前記輻射率εを測定する工程（ｃ）と、
   測定された前記輻射率εに基づき、加熱中の前記物体の温度を算出する工程（ｄ）とを備え、
   前記工程（ｃ）は、前記輻射率εの測定光の照射面となる前記物体の前記他の面上には前記ドーピングされたポリシリコンが形成されていない状態で行われることを特徴とする温度測定方法。
4. 請求項３に記載の温度測定方法において、
   前記工程（ａ）で、前記物体の前記他の面上にも前記ドーピングされたポリシリコンが同時に形成されることを特徴とする温度測定方法。
5. 請求項１又は３に記載の温度測定方法において、
   前記工程（ｃ）は、前記物体の前記他の面における反射率ｒを測定し、測定された前記反射率ｒを用いて前記輻射率εを測定する工程を含むことを特徴とする温度測定方法。

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