JP2644198B2 - イオン注入ウェハを使用した温度測定方法 - Google Patents

イオン注入ウェハを使用した温度測定方法

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JP2644198B2 JP6275106A JP27510694A JP2644198B2 JP 2644198 B2 JP2644198 B2 JP 2644198B2 JP 6275106 A JP6275106 A JP 6275106A JP 27510694 A JP27510694 A JP 27510694A JP 2644198 B2 JP2644198 B2 JP 2644198B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は温度の測定、特に表面温
度を決定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】物品が処理中に加熱される温度は、最終
的な処理結果および成功において重要な要因であること
が多い。例えば、マイクロ電子装置が処理された場合、
アニール、制御された内部拡散およびその他の理由のた
めにしばしば多様な加熱処理が行われる。最終的な装置
の特性は、しばしば種々の加熱処理中に達した温度に依
存する。通常、所望の温度に達するように、加熱装置の
制御には多大な注意が払われる。しかしながら、実際に
到達される温度は、それが実際に測定されなければ確実
には分からない。これは装置の故障、加熱された領域内
の内部変化等があるためである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】温度は多種の技術によ
って測定される。温度計、熱電対、高温計、温度ストリ
ップおよび温度マーキングクレヨン等の最も良く知られ
ている技術の多くは、マイクロ電子装置処理で達した処
理温度を測定するのに適さない。いくつかの例におい
て、温度を測定される装置が非常に小さいため、通常の
測定装置の寸法では大き過ぎて、処理される装置の局部
的な温度を測定することができない。別の例では、温度
を測定される装置の表面はプラズマ加熱等によって優先
的に内部よりも高い温度に加熱される。通常の温度測定
方法はこのような表面が優先的に加熱される装置の局部
的な表面温度を測定することは困難である。また、表面
温度の測定には通常温度マーキングクレヨンが使用され
るが、これは不純物に敏感な半導体装置では表面を汚染
する可能性があり、したがってこのような半導体装置で
は使用されることはできない。処理中の物品の温度、特
に表面加熱技術によって加熱された装置の表面温度を測
定する改良された方法が必要とされている。本発明はこ
の要求を満たし、さらに関連した利点を提供する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、試験ウェハの
欠陥状態時の温度の影響に基づいて温度を測定する方法
を提供する。この技術は特にマイクロ電子装置の処理中
に到達した温度の測定を行うのに適している。この技術
は、処理されるマイクロ電子装置構造またはマイクロ電
子装置構造と共に処理される分離したウェハ上の温度測
定領域として直接実施されることができる。この技術
は、バルク加熱処理中に達せられた温度またはプラズマ
加熱等の表面処理中に到達された表面温度を感知するた
めに使用されてもよい。本発明によると、未知の温度値
の測定する方法は、最初のウェハを設け、イオン粒子に
より第１の注入量で最初のウェハに第１のイオン注入を
行い、アニール温度でイオン注入された最初のウェハを
アニールし、第１の注入量で使用されたものと同じイオ
ン粒子によって第１の注入量より低い第２の注入量でア
ニールされたウェハに第２のイオン注入を行って試験ウ
ェハを形成し、未知の温度にこの試験ウェハを加熱し、
試験ウェハの表面電気比抵抗を測定し、測定された表面
電気比抵抗から未知の温度の値を決定するステップを含
んでいる。試験ウェハは未知の温度が測定される装置の
物理的に一部分であってもよく、或は測定される装置と
は分離した別体の装置として構成されてもよい。
【０００５】好ましい実施例において、試験ウェハは、
まず、単一の結晶材料から形成されたウェハを準備し、
第１の注入量のイオン粒子でこのウェハに第１のイオン
注入を行い、アニール温度でイオン注入されたウェハを
アニールし、第１の注入量で使用されたものと同じイオ
ン粒子を第２の注入量でアニールされたウェハに第２の
イオン注入を行って、試験ウェハを形成することによっ
て処理されることが望ましい。第２の注入量は第１の注
入量より低い量であり、低い注入エネルギである。この
好ましい方法において、最初のウェハは１つの導電型
（すなわちｐ型またはｎ型）の一般的なバルクドープレ
ベルでドープされ、イオン注入された粒子は表面層にお
いて注入される反対の導電型である。第１のイオン注入
は深い注入を達成するために第２のイオン注入より高い
注入イオン加速電圧を使用することが好ましい。第２の
イオン注入はかなり低い量であることが好ましく、第１
のイオン注入より大きさで２桁以上低いことが非常に好
ましい。イオン注入はイオンビームまたはプラズマ或は
その他の技術によって行われることもできる。
【０００６】未知の温度の値は、通常予め定められた較
正データを使用することによって決定される。この較正
データを得る方法としては、試験ウェハと同じ一連のウ
ェハを処理し、一連の既知の温度に一連のウェハを加熱
し、それら一連のウェハの表面電気比抵抗を測定し、一
連のウェハの表面電気比抵抗とそれらの各既知の温度と
の間の関係を示す較正特性曲線を形成することが好まし
い。較正特性曲線が得られると、未知の温度の値は、試
験ウェハの利用者によって試験ウェハの測定された表面
電気比抵抗を較正特性曲線と比較することによって決定
される。
【０００７】本発明において、試験ウェハはこのような
較正特性曲線のデータとともに顧客に販売されることが
できる。試験ウエハは、まずウェハを準備し、第１の注
入量のイオン粒子で最初のウェハに第１のイオン注入を
行い、イオン注入された最初のウェハをアニールし、ア
ニールされたウェハに対して第２のイオン注入を第１の
注入量より低い第２の注入量で、第１のイオン注入で使
用されたものと同じイオン粒子によって行う形成ステッ
プによって処理される。試験ウェハの表面電気比抵抗と
温度との関係を示す較正特性曲線は、試験ウェハを提供
する試験ウェハの製造業者によって前に説明された方法
を使用して処理される温度の関数として作成され、試験
ウェハに付属して販売されることができる。
【０００８】本発明は、バルク温度でなく表面温度を測
定するのに適した温度測定技術および装置を提供する。
後者の役割において、この方法は直接的で高度に局部化
され、そうでなければ満たされることができない測定に
対するニーズを満足させる。本発明の別の特徴および利
点は、以下の好ましい実施例のさらに詳細な説明および
本発明の原理を示した添付図面から明らかになるであろ
う。
【０００９】
【実施例】図１は、本発明の処理工程を示したフロー図
である。図２および図３は、図１のステップに対する好
ましい方法を実行するためのフロー図である。図４のａ
乃至ｅは、処理および使用の種々の段階における試験ウ
ェハを概略的に示す。
【００１０】図１を参照すると、20においてまず試験ウ
ェハが準備される。試験ウェハは既知の電気表面層比抵
抗を有しているか、或はその表面層比抵抗は以下に説明
する技術を使用して測定されることができる。試験ウェ
ハを処理するための好ましい工程は、図２に示されてい
る。最初のウェハ50（図４のａ）が30において最初に提
供される。最初のウェハ50は、ｎ型またはｐ型ドーパン
トのいずれかによりバルクドープされた単結晶であるこ
とが好ましい。（ここで使用されるように、ドーパント
の“導電型”はｎ型またはｐ型のいずれかを意味する。
いくつかの例において、反対の導電型のドーパントが使
用され、既に存在しているものとは反対の導電型のドー
パントを意味する。）ウェハは例えば単結晶のシリコン
であり、バルクドーピング不純物はｎ型ではリン、また
ｐ型では硼素である。
【００１１】最初のウェハ50は32でイオン注入によって
まずドープされ、ドーパントは最初のウェハ50のバルク
ドーパントと反対の導電型である。すなわち、最初のウ
ェハ50がｐ型ドーパントでドープされた場合、ｎ型ドー
パントが第１のイオン注入32において使用される。最初
のウェハ50が実質的にドープされない場合、いずれかの
導電型のドーパントが第１のイオン注入32で使用され
る。第１のドーピングはイオン注入技術により達成され
ることが好ましいが、その他の使用可能なドーピング技
術もまた許容可能である。
【００１２】好ましいイオン注入は、第１の表面層52に
イオンを注入しい、バルクの導電型でドープされたイオ
ン注入されないバルク領域54を残す。図４のｂは、第１
のイオン注入を実施された構造を概略的に示す。第１の
表面層52の深さまたは厚さは、注入されたイオンの粒子
およびエネルギに依存している。シリコン中にｎ型のリ
ンを注入する典型的な場合において、 100Kev （1000電
子ボルト）の注入電圧は、約0.18マイクロメータの厚さ
に第１の表面層52を生成する。第１のイオン注入におけ
るイオン合計量は適度なレベルであり、典型的に１cm2
当り約1013乃至1015イオンの範囲である。イオン注入は
２つの効果を有する。第１に、それは第１の表面層52に
イオンを注入する。第２に、それは高いエネルギのイオ
ンの衝突のために第１の表面層52に欠陥構造を生成す
る。欠陥構造は、主にそれらの通常の格子位置から変位
された原子の局部的な欠陥からなる。
【００１３】イオン注入等による第１のドーピング後、
ウェハは34において欠陥構造を取除くためにアニールさ
れる。ほぼ欠陥のない第１の表面層52およびほとんど不
変のバルク領域54を有する結果的なウェハが図４のｃに
示されている。アニール処理は欠陥構造を取除くが、第
１のイオン注入で注入されたドーパントがウェハのバル
ク中へ余分の拡散を生じさせない程度の温度で十分に長
い時間にわたって実行される。イオン注入されたシリコ
ンに対する典型的なアニール処理は、1000℃で30分間窒
素気体中で実施される。
【００１４】アニールに続いて、ウェハはステップ36に
おいてイオン注入によって第２のドープを実施されるこ
とが好ましい。第２のイオン注入36は、第１のイオン注
入32と同じ導電型のイオン（ドーパント）を使用するこ
とが好ましいが、必須ではない。第２のイオン注入36
は、１以上の、好ましくは２つの重要な点において第１
のイオン注入32と異なっている。第２のイオン注入量は
第１のイオン注入量より低い量でなければならず、そは
第１の注入よりかなり低いことが好ましく、２桁以上低
い大きさが非常に好ましい。例えば、第１のイオン注入
32が１cm2 当り 5×1014イオンの合計量を有する場合、
第２のイオン注入36は１cm2 当り 5×1012以下の量であ
ることが望ましい。第２に、第２のイオン注入36は第１
のイオン注入32より低いイオン注入エネルギであること
が好ましい。しかしこれは必須ではない。低い注入エネ
ルギは、第１の表面層52より浅い第２の表面層56を生成
する。第２のイオン注入36における低い注入エネルギの
使用は、この第２の量のイオンが前に処理された第１の
表面層52内に完全に位置することを確実にする。１例と
して、第１のイオン注入のイオン注入エネルギが100Kev
の場合、第２のイオン注入のイオン注入エネルギは約80
Kev のような100Kevより小さい値である。
【００１５】第２のイオン注入36が終了した後、第２の
表面層56は第１のイオン注入および第２のイオン注入の
合計量のドーパントを受け取っているため、第２のイオ
ン注入後の第２の表面層56は第１の表面層52のものより
少し高い濃度を有する。しかし、第２のイオン注入量は
第１のイオン注入量より著しく小さいためその差は大き
くない。第２の表面層56はまた第２のイオン注入後に欠
陥構造を有する。欠陥構造は実質的に十分に形を定めら
れており、１乃至数回の事象等の少数の熱的に活性化さ
れた固体状態拡散事象によって取除かれることができる
局部的な短距離の不安定な欠陥を主として含んでいる。
第２のイオン注入の量が低く、そのイオン注入エネルギ
は低いことが好ましいため、欠陥構造は第１のイオン注
入後（しかしアニール34の前）より第２のイオン注入後
のほうが密度が低い（単位容積当り数個の欠陥）。
【００１６】図２に示されているように処理されたウェ
ハは図４の（ｅ）にウエハ58として示されており、試験
ウェハと呼ぶ。再び図１を参照すると、試験ウェハ58は
ステップ22において測定されるべきある未知の温度に加
熱され、この温度はステップ34のアニール温度より低
い。炉中に試験ウェハを配置する等によって試験ウェハ
全体を均一に加熱するか、或はプラズマ加熱のように試
験ウェハの表面領域を優先的に加熱することによって加
熱が行われる。未知の温度に加熱した後、試験ウェハ58
の電気的な表面比抵抗がステップ24において測定され
る。任意の利用可能な比抵抗測定技術が利用されてよい
が、４点抵抗プローブが好ましい。このような４点抵抗
測定は良く知られており、他の環境において広く使用さ
れている。
【００１７】試験ウェハが加熱される未知の温度の値
は、ステップ26において比抵抗測定、特に比抵抗の変化
から決定される。決定は、図３に示されているような較
正工程によって行われることが好ましい。較正工程を実
施するために、ステップ40において図２に関連して説明
されたものと同じプロセスおよび条件を使用して一連の
ウェハが試験ウェハと同様に処理される。較正用の一連
のウェハは、好ましくは一連の炉熱処理で一連の既知の
温度に加熱される。すなわち、この一連のウェハ中の第
１のウェハは第１の温度に加熱され、第２のウェハは第
２の温度に加熱され、以下同様に加熱される。その後、
一連のウェハの個々の表面比抵抗は、好ましくはステッ
プ40および24において使用されたものと同じ工程によっ
てステップ44において測定される。ステップ46におい
て、比抵抗と温度との間の得られた較正関係が例えば特
性曲線として形成される。較正関係の特性曲線を形成す
るために、ステップ40および44で測定されたような各ウ
ェハの表面比抵抗の差が計算される。この差はウェハが
ステップ42において加熱された温度に関連している。
【００１８】較正された温度と表面比抵抗の関係は、式
またはグラフのいずれかによって得ることができる。図
５は、ウェハが加熱された既知の温度の関数としての比
抵抗差のグラフである。この関係は直線的であり、示さ
れた直線的な関係で表される。図５の情報は、続いて説
明されるべき本発明の実施例に対する変形において明ら
かになった。
【００１９】図５は、ある温度に加熱する前後において
ウェハの比抵抗差間にある関係が存在していることを示
す。図５の特性曲線は、ステップ24および26において未
知の温度に加熱されるときに測定された比較可能な比抵
抗差から温度を決定するために使用される。試験ウェハ
に対して、未知の温度に加熱した前後に測定された比抵
抗の比抵抗差が計算され、この値から図５の特性曲線を
使用して未知の温度が決定される。
【００２０】本発明の温度測定は、第１のイオン注入お
よびアニールによって前に処理された層の中に第２のイ
オン注入中に生成された欠陥の除去に基づいている。欠
陥の除去は一般に拡散制御されたプロセスであるため、
温度のみ、または温度と時間のある関数のどちらを測定
するかという問題が生じる。測定が未知の温度に対して
のみ行われたことを確認するために、炉中で300 ℃の温
度にウェハのグループを加熱し、経時的に炉からウェハ
を１つづつ取り出すことによって検討が行われた。比抵
抗差が決定され、温度に対する時間の関数として図６に
示されている。検討された時間の範囲内において、比抵
抗差は時間によって非常に僅かしか影響を受けない。し
たがって、本発明の方法はウェハが上昇した温度に維持
される時間とほとんど関係がなく、比抵抗差はほぼ完全
に温度の関数である。これは、ウェハが上昇した温度に
加熱されたときに、第２のイオン注入によって生成させ
られた点状の欠陥を全滅させるために必要な短い拡散距
離のためと考えられる。
【００２１】ここに説明された方法は、一人の利用者に
よって全体的に実行されることができる。その代わりと
して、試験ウェハと共に図５に示されたようなウェハの
較正関係を示す特性曲線が試験ウェハを提供する試験ウ
ェハの製造業者によって作成されることができる。製造
業者は消費者が使用するために試験ウェハと共に較正特
性曲線を提供する。消費者は、試験ウェハの表面比抵抗
を測定し、未知の温度に試験ウェハを加熱し（処理され
ているマイクロ電子装置のバッチの中に試験ウェハを配
置すること等によって）、加熱後に表面比抵抗を測定
し、較正特性曲線を使用することによって温度を決定す
る。その代わりとして、試験ウェハの第１の比抵抗測定
が製造業者によって予め行われることができるが、この
測定は、比抵抗測定装置で生じる可能性のある任意の計
器エラーの影響を除去するために消費者がそれを行うほ
うが好ましい。
【００２２】本発明はここに示された好ましい方法にし
たがって実施されている。試験ウェハおよび一連の較正
ウェハが処理された。最初のウェハは、各場合において
100オームcmより大きい比抵抗を有するｐ型シリコンで
あった。第１のイオン注入32は１cm2 当り5 ×1014イオ
ンの量のリンおよび 100Kev の注入電圧を使用した。ア
ニールステップ34は、窒素気体中において1000℃で30分
の間行われた。第２のイオン注入36は１cm2 当り 1×10
12イオンの量のリンおよび 80Kevの注入電圧を使用し
た。これらの試験ウェハの表面比抵抗が測定され、１cm
2 当り約 209オームであることが認められた。較正ウェ
ハは、 200℃乃至 500℃で 1乃至30分間炉中で一連の温
度に加熱された。表面比抵抗および既知の温度への加熱
の前後の表面比抵抗の差が測定された。この表面比抵抗
の差は、図５において温度に対して示されている。
【００２３】１つのバッチから得られた試験ウェハは、
炉中で未知の温度に加熱された。加熱後の表面比抵抗が
測定され、加熱前との比抵抗の差が計算され、図５の較
正特性曲線が未知の温度を決定するために使用された。
未知の温度はまた熱電対によって確認された。この場合
にはウェハの汚染等の問題は重要ではないため（この場
合に使用されたウエハは実用しないので汚染されてもよ
いので）、これらの温度確認技術は、ここにおいて本発
明の有効性を示すために使用された。しかしながら、こ
のような技術は、ウェハまたは真空システムを汚染する
ため、実際の製造工程における多くの状況では温度測定
に実用することはできず、或はその他の理由のために許
容できない。
【００２４】本発明の特定の実施例が説明のために詳細
に示されてきたが、本発明の技術的範囲を逸脱すること
なく種々の修正が可能である。したがって、本発明は添
付された特許請求の範囲の記載によってのみ限定され
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実行するための処理フロー図。
【図２】試験ウェハを処理するための処理フロー図。
【図３】比抵抗測定から未知の温度を決定するための処
理フロー図。
【図４】温度測定において使用される種々の処理段階に
おける１組の試験ウェハの概略図。
【図５】温度の関数としての比抵抗の変化を示したグラ
フ。
【図６】一定温度における時間の関数としての比抵抗の
変化を示したグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フレッド・シー・セッション アメリカ合衆国、カリフォルニア州 92007、カーディフ、エバーグリーン・ ドライブ 1321 (56)参考文献 特開 平３−142948（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−150049（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−284863（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−79057（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 最初のウェハを設け、 イオン粒子により第１の注入量で最初のウェハに第１の
    イオン注入を行い、 アニール温度でイオン注入された最初のウェハをアニー
    ルし、 第１の注入量で使用されたものと同じイオン粒子によっ
    て第１の注入量より低い第２の注入量でアニールされた
    ウェハに第２のイオン注入を行って試験ウェハを形成
    し、 未知の温度にこの試験ウェハを加熱し、 試験ウェハの表面電気比抵抗を測定し、 測定された表面電気比抵抗から未知の温度の値を決定す
    るステップを含んでいることを特徴とする未知の温度の
    値の測定方法。
  2. 【請求項２】 最初のウェハは第１の導電型のドーパン
    トによりドープされ、イオン粒子は反対の導電型のドー
    パントである請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 第１のイオン注入を行うステップは第１
    のエネルギで第１のイオン注入を実施するステップを含
    み、第２のイオン注入を実施するステップは第２のエネ
    ルギで第２のイオン注入を行うステップを含み、第２の
    エネルギは第１のエネルギより小さい請求項１記載の方
    法。
  4. 【請求項４】 第２の注入量は第１の注入量より大きさ
    で約２桁以上小さい請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 イオン粒子はｐ型ドーパントである請求
    項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 イオン粒子はｎ型ドーパントである請求
    項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 未知の温度値を決定するステップは、 試験ウェハと同じ一連のウェハを処理し、 一連の既知の温度に一連のウェハを加熱し、 一連のウェハの表面電気比抵抗を測定し、 一連のウェハの表面電気比抵抗とそれらの各既知の温度
    との間の関係を定める較正データを形成するステップを
    含んでいる請求項１記載の方法。
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