JP2010129773A

JP2010129773A - 温度測定用基板及び熱処理温度測定方法

Info

Publication number: JP2010129773A
Application number: JP2008302765A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Tachikawa; 真之立川; Hiroshi Owada; 浩史大和田
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2010-06-10

Abstract

【課題】熱処理温度４７０℃〜５３０℃を測定する温度測定用基板及び熱処理温度測定方法を提供すること。
【解決手段】温度測定用基板は、リンが注入されたｐ型シリコン基板を備える。熱処理温度は、ｐ型シリコン基板の層抵抗値から測定される。リンのドーズ量は、５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２〜１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２である。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度測定用基板及び熱処理温度測定方法に関する。例えば、本発明は、半導体装置製造時におけるシリサイデーション時の熱処理温度を測定する温度測定用基板及び熱処理温度測定方法に関する。

ＭＯＳトランジスタプロセスにおけるシリサイデーションプロセスはトランジスタの性能を決定づけるキープロセスである。このシリサイデーションプロセスにおいては、シリコンをシリサイド化させる際の熱処理温度が特に重要である。半導体ウェハの温度の測定方法としては例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。

特許文献１に記載のウェハ面内温度分布の評価方法によれば、Ｓｉ^＋＋Ｂ^＋注入を行ったウェハを熱処理し、シート抵抗のアーレニウス・プロットをとり、その直線の傾き及びウェハ面内のシート抵抗分布より、ウェハ面内の温度分布を評価している。

特許文献２に記載の熱処理炉内の半導体ウェハの表面温度測定方法においては、Ｐ型の不純物が添加された半導体基板上に、Ｎ型の不純物が半導体基板中の不純物濃度よりも高濃度に添加されたエピタキシャル成長層が形成され、かつ全体が不純物の外方への拡散を阻止するコーティング膜でコーティングされた半導体エピタキシャルウェハを、温度モニタウェハとして用いている。この温度モニタウェハについて、シート抵抗値と半導体ウェハの表面の温度との関係を示す温度検量線を作成し、この温度検量線を基に半導体ウェハの表面温度を測定している。

特開平３−７９０５７号公報特開２００５−５６９８６号公報

以下の分析は、本発明の観点から与えられる。

一般的に、半導体製造装置は、熱処理時の温度をモニタリングする機能を有している。しかしながら、この機能が異常を起こした際にも、熱処理時の温度をモニタリングすることが必要である。また、製造ライン内において製品の良否判定を実施する必要もある。

本発明者らの知見によれば、チタンをシリコンあるいは熱酸化膜上にスパッタし、熱処理後の層抵抗値から間接的に温度を算出することは可能であるが、層抵抗値の温度に対する感度が高い領域は３２０℃〜４２５℃と極低温域のみであった（図５参照）。

シリサイド化においては、熱処理温度を４７０℃〜５３０℃に管理することが重要である。しかしながら、チタンをスパッタする温度測定方法では、シリサイド化に好適な温度を測定することができない。また、シリコン基板剥きだし状態で５００℃程度の酸化処理を行っても基板の酸化は起こらないため、酸化後の膜厚値から間接的に熱処理温度を測定することも不可能である。

特許文献１に記載の評価方法においては、Ｓｉ注入とＢ注入と２回の注入工程が必要となる。このため、注入工程が１回のみの方法に比べ、注入のばらつきが大きくなるおそれがある。また、注入のばらつきは、熱処理後にも残存するおそれもある。

特許文献２に記載の表面温度測定方法においては、測定される温度は１０００℃〜１２００℃であり、特許文献２に記載の表面温度測定方法では、シリサイド化するための熱処理温度４７０℃〜５３０℃を測定することはできない。

本発明の第１視点によれば、温度測定用基板は、リンが注入されたｐ型シリコン基板を備える。ｐ型シリコン基板の層抵抗値によって熱処理温度が測定される。

本発明の第２視点によれば、熱処理温度測定方法は、ｐ型シリコン基板にリンを注入し、第１検量データ用基板を作成する第１リン注入工程と、第１検量データ用基板を所定の熱処理温度で熱処理する第１熱処理工程と、熱処理された第１検量データ用基板の層抵抗値を測定する第１層抵抗値測定工程と、第１熱処理工程における熱処理温度と第１層抵抗値測定工程における層抵抗値とから検量データを作成する検量データ作成工程と、ｐ型シリコン基板にリンを注入し、温度測定用基板を作成する第２リン注入工程と、温度測定用基板を熱処理する第２熱処理工程と、熱処理された温度測定用基板の層抵抗値を測定する第２層抵抗値測定工程と、検量データを基に、温度測定用基板の層抵抗値から第２熱処理工程における熱処理温度を求める熱処理温度測定工程と、を含む。

本発明によれば、熱処理温度を温度測定用基板の層抵抗値から間接的に測定することができる。例えば、半導体装置製造工程におけるシリサイド形成時の温度を測定することができる。これにより、熱処理装置に付属する温度測定装置が故障した場合であっても、熱処理温度を管理することができるので、製品製造を継続することができると共に、不良製品の流出を防止することができる。

上記第１視点及び第２視点における好ましい形態を以下に列記する。

上記第１視点の好ましい形態によれば、リンのドーズ量は、５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２〜１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２である。

上記第１視点の好ましい形態によれば、リンの注入エネルギーは、１０ｋｅＶ以下である。

上記第１視点の好ましい形態によれば、熱処理温度は、４７０℃〜５３０℃である。

上記第２視点の好ましい形態によれば、第１リン注入工程における第１検量データ用基板のリンのドーズ量は、５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２〜１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２である。

上記第２視点の好ましい形態によれば、第１リン注入工程におけるリンの注入エネルギーは、１０ｋｅＶ以下である。

上記第２視点の好ましい形態によれば、第２リン注入工程における温度測定用基板のリンのドーズ量は、５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２〜１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２である。

上記第２視点の好ましい形態によれば、第２リン注入工程におけるリンの注入エネルギーは、１０ｋｅＶ以下である。

上記第２視点の好ましい形態によれば、第１熱処理工程における熱処理温度は、４７０℃〜５３０℃である。

上記第２視点の好ましい形態によれば、第２熱処理工程における熱処理温度は、４７０℃〜５３０℃である。

上記第２視点の好ましい形態によれば、第１リン注入工程において、リンのドーズ量が同じである複数の第１検量データ用基板を作成する。複数の第１検量データ用基板について、第１熱処理工程、第１層抵抗値測定工程及び検量データ作成工程を実施する。

上記第２視点の好ましい形態によれば、熱処理温度測定方法は、ｐ型シリコン基板にリンを注入し、第１検量データ用基板とはリンのドーズ量が異なる第２検量データ用基板を作成する第３リン注入工程と、第２検量データ用基板を所定の熱処理温度で熱処理する第３熱処理工程と、熱処理された第２検量データ用基板の層抵抗値を測定する第３層抵抗値測定工程と、をさらに含む。検量データ作成工程において、第１熱処理工程における熱処理温度、第１層抵抗値測定工程における層抵抗値、第３熱処理工程における熱処理温度、及び第３層抵抗値測定工程における層抵抗値から検量データを作成する。

上記第２視点の好ましい形態によれば、第３リン注入工程において、リンのドーズ量が同じである複数の第２検量データ用基板を作成する。複数の第２検量データ用基板について、第３熱処理工程、第３層抵抗値測定工程及び検量データ作成工程を実施する。

本発明の温度測定用基板及び熱処理温度測定方法について、以下に、半導体製造装置の熱処理温度測定を例にして説明する。

まず、半導体製造装置の熱処理温度を温度測定用基板の層抵抗値で管理するための検量データの取得について説明する。ここでは、温度測定用基板について、予め熱処理温度に対する層抵抗値のデータを取得する。まず、温度測定用基板と同様の検量データ用基板を作成する。ｐ型シリコン基板に、リン（Ｐ）をドーズ量５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２〜１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２の範囲内で注入する。次に、４７０℃〜５３０℃の範囲内の所定の温度で、リン注入した検量データ用基板を熱処理し、熱処理後の層抵抗値を測定する。そして、熱処理温度及び層抵抗値から、半導体製造装置の熱処理時における熱処理温度を測定するための検量データを作成する。このとき、熱処理温度は、半導体装置製造時における熱処理温度と同一にすると好ましい。

好ましくは、層抵抗値の測定を、同一のドーズ量の複数の検量データ用基板に対して、複数の熱処理温度でそれぞれ実施し、所定のドーズ量の検量データ用基板に対する熱処理温度と層抵抗値との関係を示す検量データ（好ましくは検量線）を求める。このとき、半導体装置製造時の熱処理温度は、検量データ用基板の複数の熱処理温度の温度範囲内にあると好ましい。

さらに好ましくは、リンのドーズ量が異なる複数の検量データ用基板を作成し、それぞれの検量データ用基板について、同様にして熱処理温度と層抵抗値との関係を示す検量データを作成する。

複数の検量データ用基板の作成する際のリン注入エネルギーは、同一にすると好ましい。また、検量データ用基板のリン注入エネルギーは、温度測定用基板のリン注入エネルギーと同一にすると好ましい。検量データ用基板のリン注入エネルギーは、例えば、１０ｅｋＶ以下にすると好ましい。

これにより、リン注入した検量データ用基板の層抵抗値に対する熱処理温度依存性の知見を得ることができる。

例えば、ドーズ量５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２でリン注入した複数の検量データ用基板について、それぞれ異なる温度（例えば、４７０℃、５００℃、５３０℃の三点）で熱処理を実施し、それぞれの熱処理温度に対する層抵抗値を測定する。同様に、異なるドーズ量（例えば、１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２）でリン注入した複数の検量データ用基板について、それぞれ異なる温度（例えば、４７０℃、５００℃、５３０℃の三点）で熱処理を実施し、それぞれの熱処理温度に対する層抵抗値を測定する。次に、このようにして求めた、検量データ用基板の層抵抗値に対する熱処理温度依存性を基に、熱処理後の層抵抗値から該熱処理の熱処理温度を測定するための、所定の熱処理温度に対する層抵抗値の許容範囲を決定する。この許容範囲を基に、半導体装置製造工程において、半導体装置の中間製品が所定の熱処理温度で熱処理されたか否かを判断する。

次に、製品の熱処理工程における層抵抗値による熱処理温度測定について説明する。図１に、本発明の熱処理温度測定方法を使用した半導体製造工程における温度管理方法のフローチャートを示す。まず、温度測定用のｐ型シリコン基板を準備する（Ｓ１）。ｐ型シリコン基板の抵抗率は、１Ωｃｍ〜１００Ωｃｍであると好ましい。

次に、ｐ型シリコン基板に、イオン注入装置を用いてリン（Ｐ）を注入して、温度測定用基板を作成する（Ｓ２）。リンのドーズ量は、５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２〜１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２の範囲内にすると好ましく、検量データの作成におけるリンのドーズ量と同一であるか、複数のドーズ量から検量データを作成した場合にはそのドーズ量の範囲内であるとより好ましい。また、イオン注入工程は、注入ばらつきを抑制するため、１工程にすると好ましい。

温度測定用基板のリンの注入エネルギーは、検量データ用基板のリン注入エネルギーと同一にすると好ましい。温度測定用基板のリン注入エネルギーは、例えば、１０ｅｋＶ以下にすると好ましい。

次に、温度測定用基板を半導体装置の中間製品と共に、４７０℃〜５３０℃の範囲内の所定の温度で熱処理する（Ｓ３）。例えば、温度測定用基板及び中間製品を窒素雰囲気下５００℃で３０秒間熱処理する。

次に、熱処理された温度測定用基板の層抵抗値を測定し（Ｓ４）、層抵抗値が、上記で求めた所定の熱処理温度の許容範囲内であるか否かを判断する（Ｓ５）。層抵抗値が許容範囲内であれば、所定の温度で熱処理されたものと判断し、中間製品を次の処理工程に移行させる（Ｓ６）。層抵抗値が許容範囲外であれば、所定の温度で熱処理されていないものと判断し、熱処理された中間製品の製品化を中止する等の措置を講じる（Ｓ７）。

温度測定用基板のイオン注入、熱処理、層抵抗測定、及び熱処理温度判定は、半導体装置の製造ライン内において自動で実施するようにすると好ましい。

本発明におけるリンのドーズ量の範囲及び熱処理温度の範囲の基礎となる実施例について説明する。

清浄ｐ型シリコン基板に、リンを１０ｋｅＶで１×１０^１３ａｔｏｍ／ｃｍ^２注入し、リンを注入した基板を４７５℃、５００℃、５３０℃及び５６０℃でそれぞれ熱処理し、熱処理後の層抵抗値を測定した。また、リンのドーズ量が５×１０^１３ａｔｏｍ／ｃｍ^２、１×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２、５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２、及び１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２の基板についても、同様に、４７５℃、５００℃、５３０℃及び５６０℃で熱処理した後の層抵抗値を測定した。図２に、測定結果のグラフを示す。

図２によれば、リンのドーズ量が１×１０^１３ａｔｏｍ／ｃｍ^２〜１×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２の範囲では、熱処理温度に対する層抵抗値の一致性は見られないが、５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２及び１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２では、熱処理温度に対する層抵抗値の一致性が高くなっている。

また、ドーズ量が５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２及び１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２の基板においては、熱処理温度が４７０℃〜５３０℃の範囲において、層抵抗値の変化に対する一致性が見られる。

これより、リンを５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２〜１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２で注入したｐ型シリコン基板を用いて熱処理後の層抵抗値を測定すれば、４７０℃〜５３０℃の範囲で熱処理温度を求めることができることが判明した。すなわち、この基板を温度測定用基板として利用できることが分かった。また、一致性がみられる領域が４７０℃〜５３０℃と広範囲であるので、５００℃近傍での温度管理を精度良く実施できることが可能となる。

リンのドーズ量が５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２〜１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２という高ドーズ量である基板において、熱処理温度に対する層抵抗値の一致性が見られるのは、このようなドーズ量ではリン注入によってウェハ表面が非晶質化し、熱処理によって結晶に回復すると同時に、活性化が起こりやすくなっているためと推測される。

実施例１の結果を基に、本発明の温度測定用基板について、層抵抗値の熱処理温度依存性に再現性があるのかを確認した。ｐ型シリコン基板に、リンを１０ｋｅＶで５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２注入した基板を２つ作成し、サンプルＡ及びサンプルＢとした。サンプルＡ及びサンプルＢをそれぞれ５００℃で熱処理し、熱処理後の層抵抗値を測定した。図３に、測定結果を示す。図３は、ウェハ面内における最大値、最小値及び平均値を示す。なお、層抵抗値は、ウェハ直径方向のラインスキャン（エッジカット３ｍｍ）により測定し、平均値は４９点の層抵抗値の平均値である。

サンプルＡの最小層抵抗値は約８０１Ω／□、最大層抵抗値は約９９６Ω／□であり、平均値は８８９Ω／□であった。一方、サンプルＢの最小層抵抗値は約７８８Ω／□、最大層抵抗値は約１００５Ω／□であり、平均値は約８８４Ω／□であった。これより、本発明の温度測定用基板についてバッチが異なっても再現性があることが分かった。

実施例１の結果を基に、本発明の温度測定用基板について、リン注入から熱処理までに経時変化があるのかを確認した。ｐ型シリコン基板に、リンを１０ｋｅＶで５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２注入した基板を作成し、リン注入から１日目、１５日目、２４日目及び４９日目の基板について、それぞれ５００℃で熱処理した後に層抵抗値を測定した。図４に、測定結果を示す。図４は、ウェハ面内における最大値、最小値及び平均値を示す。なお、層抵抗値は、ウェハ直径方向のラインスキャン（エッジカット３ｍｍ）により測定し、平均値は４９点の層抵抗値の平均値である。

日数が経過しても熱処理後の層抵抗値は大きく変化しておらず、最大層抵抗値は約１０００Ω／□、最小層抵抗値は約８００Ω／□、平均層抵抗値は約９００Ω／□であった。これより、リン注入した後において、層抵抗値の熱処理温度依存性に大きな経時変化がないことが分かった。すなわち、本発明の温度測定用基板は経時劣化がないことが分かった。

実施例１〜実施例３より、層抵抗値に影響する要素は熱処理温度であり、本発明の温度測定用基板が熱処理温度測定に有用であることが考察される。

本発明の温度測定用基板及び熱処理温度測定方法は、上記実施形態に基づいて説明されているが、上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において、かつ本発明の基本的技術思想に基づいて、上記実施形態に対し種々の変形、変更及び改良を含むことができることはいうまでもない。また、本発明の請求の範囲の枠内において、種々の開示要素の多様な組み合わせ・置換ないし選択が可能である。

本発明のさらなる課題、目的及び展開形態は、請求の範囲を含む本発明の全開示事項からも明らかにされる。

本発明の温度測定用基板及び熱処理温度測定方法は、例えば、半導体製造装置である常圧ランプアニーラの管理に使用することができる。

本発明の温度測定用基板及び熱処理温度測定方法について、上記実施形態においては半導体装置の製造を例にして説明したが、本発明の温度測定用基板及び熱処理温度測定方法は、これに限定されることなく、熱処理温度が４７０℃〜５３０℃である熱処理に適宜使用することができる。

本発明の熱処理温度測定方法を使用した半導体製造工程における温度管理方法のフローチャート。リンのドーズ量に対する層抵抗値の熱処理温度依存性を示すグラフ。層抵抗値の熱処理温度依存性の再現性を示すグラフ。層抵抗値の熱処理温度依存性の経時変化を示すグラフ。Ｔｉ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ構造及びＴｉ／ＳｉＯ_２構造の層抵抗値の熱処理温度依存性を示すグラフ。

Claims

リンが注入されたｐ型シリコン基板を備え、
前記ｐ型シリコン基板の層抵抗値によって熱処理温度が測定されることを特徴とする温度測定用基板。
リンのドーズ量は、５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２〜１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項１に記載の温度測定用基板。
リンの注入エネルギーは、１０ｋｅＶ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度測定用基板。
前記熱処理温度は、４７０℃〜５３０℃であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の温度測定用基板。
ｐ型シリコン基板にリンを注入し、第１検量データ用基板を作成する第１リン注入工程と、
前記第１検量データ用基板を所定の熱処理温度で熱処理する第１熱処理工程と、
熱処理された前記第１検量データ用基板の層抵抗値を測定する第１層抵抗値測定工程と、
前記第１熱処理工程における熱処理温度と前記第１層抵抗値測定工程における層抵抗値とから検量データを作成する検量データ作成工程と、
ｐ型シリコン基板にリンを注入し、温度測定用基板を作成する第２リン注入工程と、
前記温度測定用基板を熱処理する第２熱処理工程と、
熱処理された前記温度測定用基板の層抵抗値を測定する第２層抵抗値測定工程と、
前記検量データを基に、前記温度測定用基板の層抵抗値から前記第２熱処理工程における熱処理温度を求める熱処理温度測定工程と、
を含むことを特徴とする熱処理温度測定方法。
前記第１リン注入工程における前記第１検量データ用基板のリンのドーズ量は、５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２〜１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項５に記載の熱処理温度測定方法。
前記第１リン注入工程におけるリンの注入エネルギーは、１０ｋｅＶ以下であることを特徴とする請求項５又は６に記載の熱処理温度測定方法。
前記第２リン注入工程における前記温度測定用基板のリンのドーズ量は、５×１０^１４ａｔｏｍ／ｃｍ^２〜１×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の熱処理温度測定方法。
前記第２リン注入工程におけるリンの注入エネルギーは、１０ｋｅＶ以下であることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の熱処理温度測定方法。
前記第１熱処理工程における熱処理温度は、４７０℃〜５３０℃であることを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載の熱処理温度測定方法。
前記第２熱処理工程における熱処理温度は、４７０℃〜５３０℃であることを特徴とする請求項５〜１０のいずれか一項に記載の熱処理温度測定方法。
前記第１リン注入工程において、リンのドーズ量が同じである複数の第１検量データ用基板を作成し、
前記複数の第１検量データ用基板について、前記第１熱処理工程、第１層抵抗値測定工程及び検量データ作成工程を実施することを特徴とする請求項５〜１１のいずれか一項に記載の熱処理温度測定方法。
ｐ型シリコン基板にリンを注入し、第１検量データ用基板とはリンのドーズ量が異なる第２検量データ用基板を作成する第３リン注入工程と、
前記第２検量データ用基板を所定の熱処理温度で熱処理する第３熱処理工程と、
熱処理された前記第２検量データ用基板の層抵抗値を測定する第３層抵抗値測定工程と、
をさらに含み、
前記検量データ作成工程において、前記第１熱処理工程における熱処理温度、前記第１層抵抗値測定工程における層抵抗値、前記第３熱処理工程における熱処理温度、及び前記第３層抵抗値測定工程における層抵抗値から検量データを作成することを特徴とする請求項５〜１２のいずれか一項に記載の熱処理温度測定方法。
前記第３リン注入工程において、リンのドーズ量が同じである複数の第２検量データ用基板を作成し、
前記複数の第２検量データ用基板について、前記第３熱処理工程、第３層抵抗値測定工程及び検量データ作成工程を実施することを特徴とする請求項１３に記載の熱処理温度測定方法。