JP3080933B2 - 半導体基板の温度校正方法 - Google Patents
半導体基板の温度校正方法Info
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Description
素子の製造において用いられる半導体製造装置における
半導体基板の温度校正方法に関するものである。
て、製造プロセス中の半導体ウエハー基板温度を、直接
計測・制御することはできない。通常、基板近傍に設置
された熱電対により計測・制御される。一般に、この温
度は実際の基板温度とは異なっており、例えば、基板に
埋め込まれた熱電対を用いて校正されている。半導体集
積回路素子の製造工程の中でも、減圧雰囲気での製造プ
ロセスでは、プロセス制御のために用いている上記参照
温度と基板温度の温度差が、装置構成上、例えば基板と
参照熱電対が埋め込まれたウエハーステージなどの熱容
量や両者の密着度や基板の輻射率などにより、大きく異
なる傾向にある。
の温度が低い、所謂コールド・ウオール型の製造装置で
は、基板温度は、基板からの熱輻射による温度の低下が
周辺部の温度に強く依存して、変化することが知られて
いる。半導体集積回路素子の製造工程に用いられている
化学気相成長(CVD)法や物理気相成長(PVD)法技術の
多くが、このような問題を抱えている。これらの技術で
は、基板周辺部の熱容量などの熱的環境は、その工程処
理量によって変化したり、装置間によって異なることが
問題となっている。したがって、工程処理量依存性や装
置間差異を簡単に評価・管理することが必要となる。
を埋め込まれた基板を所定のウエハー処理位置に設置
し、熱電対のフィードスルーを減圧雰囲気の製造プロセ
ス装置内部から大気中に取り出し、温度計測することが
装置的に容易ではないために、工程処理量依存性や装置
間差異を充分に把握・管理することができないという問
題点があった。このため、工程の信頼性や装置間でのプ
ロセス互換性が充分確保されていないという問題を引き
起こしていた。
属薄膜の表面温度は、熱伝導率や輻射率の違いにより、
ウエハー基板温度に必ずしも一致しておらず、たとえ同
一の製造プロセス中においても、基板表面温度は半導体
集積回路素子の多層構造に依存して変化することから、
プロセス条件が変わってしまうという問題点があった。
ために、本発明は、半導体基板中あるいは基板上に形成
された層中にガス種をイオン注入した半導体ウエハー基
板を、温度校正もしくは温度の工程処理依存性を計測し
たい製造プロセス装置に設置し、半導体ウエハー基板を
真空下において加熱した時に脱離するガス種の脱離特性
から、プロセス設定温度もしくは加熱開始後から脱離に
至るまでの時間を計測し半導体基板の温度を校正する方
法である。
に形成されたシリサイド層の相転移、あるいは半導体基
板もしくは半導体基板上において起こる合金反応時に脱
離するガスを計測することにより、半導体基板の温度を
校正する方法である。
ン(Ar)をイオン注入したシリコンウエハー基板を半導
体製造装置内に設置し、真空下において毎分30度で昇温
したときに、半導体製造装置内のAr分圧を四重極質量分
析計で計測し、その変化を時間の関数としてプロットし
た結果が図1に示されている。昇温を開始し始めてか
ら、時間t1=23分後とt2=33分後にAr分圧に明瞭なピ
ークが認められる。一般に、分圧は脱離反応の速度定数
と濃度に依存する関数の積として記述できる反応速度式
に比例し、脱離ピークを示す。本実施の形態では、膜厚
2nmのシリコン酸化膜を通して、60keVの加速エネルギー
で2x1015/cm2のArをイオン注入したシリコン基板を用い
ている。
て形成された非晶質シリコンの固相結晶化に伴う脱離と
考えられる。次の高温での脱離は、残留欠陥の回復によ
り欠陥に束縛されたArが、シリコン結晶から放出される
ことに起因するものと推定される。各脱離ピーク温度
は、ウエハ基板自体の温度と昇温速度やイオン注入深さ
と注入量に依存するが、図2に示すように昇温脱離ガス
分析法による解析から、約710℃と約1010℃に相当す
る時間に脱離ピークを示すことになる。
物理現象によって決定されることから、ウエハー基板自
身の温度及びその昇温速度によって決まる。実際の製造
装置では、基板加熱を時間に対して一定の割合昇温する
こと必要はなく、装置固有の時間依存性を持った昇温特
性になっているが、実際の製造装置に当該基板を導入
し、加熱した時に脱離するガス種を四重極質量分析計な
どにより計測し、例えば分圧最大値を示す装置固有の参
照温度や時間から、基板温度を校正することができる。
ス種は、イオン注入時に導入された格子欠陥に束縛さ
れ、加熱時の欠陥の回復過程により、固体外に放出され
ることが示されている。固体内では、複数の不活性ガス
種と点欠陥の複合体が形成され、その消滅に要する活性
化エネルギーの違いにより、異なった温度で不活性ガス
の脱離が認められる。したがって、半導体基板上に形成
された金属薄膜に不活性ガス種をイオン注入し、加熱昇
温時に離脱することによりガス種を計測することにより
基板の温度を校正することができる。本実施の形態にお
けるイオン種は、Ar以外のイオンであっても、H、H
e、Ne、Kr、Xe、Rn等の不活性種であれば同様
の効果が得られる。
をイオン注入したシリコンウエハー基板を半導体製造装
置内に設置し、真空下において毎分30度で昇温したとき
に、半導体製造装置内のArとH2の分圧を四重極質量分析
計で計測し、その変化を時間の関数としてプロットした
結果が図3に示されている。昇温を開始し始めてから、
時間t1=12分後とt2=18分後に時間にH2分圧のピーク
が、時間t3=23分後とt4=33分後にAr分圧のピークが
認められる。本実施の形態では、膜厚2nmのシリコン酸
化膜を通して、100keVの加速エネルギーで5x1015/cm2の
Arと40keVで1x1016/cm2のHをイオン注入したシリコン
基板を用いている。
脱離機構については前述したものと同様と考えられる。
各脱離ピーク温度は、ウエハ基板自体の温度と昇温速度
やイオン注入深さと注入量に依存するが、昇温脱離ガス
分析法による解析から、H2が約360℃と550℃に、Arが約
700℃と約1000℃に相当する時間に脱離ピークを示すこ
とになる。
物理現象によって決定されることから、ウエハ基板自身
の温度及びその昇温速度によって決まる。従って、実際
の製造装置に当該基板を導入し、加熱した時に脱離する
ガス種を四重極質量分析計などにより計測し、例えば分
圧最大値を示す装置固有の参照温度や時間から、基板の
温度を校正することができる。
入したシリコンウエハー基板を半導体製造装置内に設置
し、真空下において毎分30度で昇温したときに、半導体
製造装置内のSiF4とB3 の分圧を四重極質量分析計で計
測し、その変化を時間の関数としてプロットした結果が
図4に示されている。昇温を開始し始めてから、時間t1
=22分後に両者の分圧のピークが認められる。本実施
の形態では、膜厚20nmのシリコン酸化膜を通して、60ke
Vの加速エネルギーで5x1015/cm2のBF2をイオン注入した
シリコンウエハー基板を用いている。温度計測したい製
造装置導入直前に、表面の酸化膜はフッ酸で除去してあ
る。
iF4とB3の脱離がピークを示す。この温度もしくは昇温
を開始してからの時間により、ウエハー基板温度をモニ
タリング、校正することができる。本実施の形態では、
真空度の悪い製造装置においても、上記脱離ガスの分圧
が充分に低く、高感度に分圧測定することが可能であ
り、基板の温度校正を行うことができるようになる。
外であっても、B、BF、Ga、In等のIII属不純物元素
あるいはIII属不純物元素の化合物であれば同様の効果
が得られる。また、P、As、Sb等のV属不純物元素
であっても良い。
ー基板上に形成されたチタンシリサイド(TiSi2)薄膜
のC49相からC54相への相転移に伴うH2の脱離特性を測定
した結果を図5に示す。TiSi2薄膜に含まれる不純物のH
は、750℃程度で起こる結晶構造相転移に伴い脱離する
ことを見出した。これを利用し、ウエハー基板上のTiSi
2薄膜により基板の温度校正を行うことができる。
ム(Al)や金(Au)の金属層を形成し、シリコン基板と
の合金反応時に金属層に含まれる不純物の脱離が、各々
の共晶温度の577℃と370℃程度に期待される。したがっ
て、この現象を利用することにより基板の温度を校正を
行うことができる。その他、銀(Ag)でも同様の効果が
得られる。
コンウエハー基板上の熱酸化膜にイオン注入し、半導体
製造装置内に設置し、真空下において毎分30度で昇温し
たときに、半導体製造装置内の酸素ガス(O2)分圧を四
重極質量分析計で計測し、その変化を時間の関数として
プロットし た結果が図6に示されている。昇温を開始
し始めてから、時間t1=5分後とt4=13分後、t5=26
分後にSiF4分圧のピークが、t2=7分後とt3=9分後にO2
分圧のピークが認められる。本実施の形態では、膜厚70
0nmの熱シリコン酸化膜中に、15keVの加速エネルギーで
1x1015/cm2のFをイオン注入したシリコンウエハー基板
を用いている。このような脱離特性を得るためには、イ
オン注入の照射飛程まで表面層をフッ酸などで除去する
ことが必要である。
入されたFが母体のSiO2と反応し蒸気圧の高いSiF4を形
成する過程が3つ存在する。O2の脱離については、イオ
ン衝撃によって形成されたO2分子とペルオキソラジカル
の脱離と推定される。いずれにしても、これらの脱離温
度は物理化学的に決まっており、酸化膜表面温度及びそ
の昇温速度によってピーク温度が決まることから、前述
してきた装置内部の分圧の変化から、基板の温度を校正
することが可能である。
ば、半導体装置内における実際の半導体基板自身の温度
を容易に、しかも正確に測定することができ、埋め込み
熱電対間の個体差などによるバラツキなしに、半導体基
板温度の工程処理量依存性や装置間差異を、半導体基板
の温度差として計測・管理できるという効果がある。ま
た、上記の手法を組み合わせることにより、広範囲の半
導体基板の温度校正も可能である。
イオンをイオン注入したシリコン基板を加熱昇温した時
の、Ar脱離ガス分圧の昇温時間依存性を示す。
昇温した時の、 Ar脱離ガス分圧の温度依存性を示す。
とHイオンをイオン注入したシリコン基板を加熱昇温し
た時の、ArとH2の脱離ガス分圧の昇温時間依存性を示
す。
2イオンをイオン注入したシリコン基板を加熱昇温した
時の、SiF4とB3の脱離ガス分圧の昇温時間依存性を示
す。
リコン基板上のチタンシリサイドを加熱昇温した時の、
H2の脱離ガス分圧の昇温時間依存性を示す。
リコン基板上のシリコン酸化膜にFイオンをイオン注入
し加熱昇温した時の、H2の脱離ガス分圧の昇温時間依存
性を示す。
Claims (9)
- 【請求項1】 半導体製造装置において、シリコン基板
とは異なるイオン種である不活性ガス種またはV属不純
物元素あるいはV属不純物元素の化合物がイオン注入に
より導入された該シリコン基板を真空下において加熱昇
温処理し、前記シリコン基板より脱離するガスを計測
し,予め計測された脱離特性と比較することによりシリ
コン基板の温度を校正することを特徴する半導体基板の
温度校正方法。 - 【請求項2】 前記不活性ガス種はAr、H、He、N
e、Kr、Xe、Rnより選ばれる1種あるいは複数種
の不活性ガス種であることを特徴とする請求項1項記載
の半導体基板の温度校正方法。 - 【請求項3】 前記V属不純物元素あるいはV属不純物
元素の化合物は1種あるいは複数種であることを特徴と
する請求項1項記載の半導体基板の温度校正方法。 - 【請求項4】 前記V属不純物元素あるいはV属不純物
元素の化合物はP、As、Sbより選ばれる1種あるい
は複数種であることを特徴とする請求項1項記載の半導
体基板の温度校正方法。 - 【請求項5】 半導体製造装置において、半導体基板上
に形成された金属層に不活性ガス種がイオン注入により
導入された該半導体基板を真空下において加熱昇温処理
し、前記半導体基板より脱離するガスを計測し,予め計
測された脱離特性と比較することにより半導体基板の温
度を校正することを特徴する半導体基板の温度校正方
法。 - 【請求項6】 半導体製造装置において、半導体基板と
反応する金属層が形成された該半導体基板を真空下にお
いて加熱昇温処理し、前記金属層が前記半導体基板と合
金反応する時に脱離するガスを計測し,予め計測された
脱離特性と比較することにより半導体基板の温度を校正
することを特徴する半導体基板の温度校正方法。 - 【請求項7】 前記半導体基板はシリコン基板であり、
前記金属層はAl,Au,Agの中より選ばれることを
特徴とする請求項6項記載の半導体基板の温度校正方
法。 - 【請求項8】 半導体製造装置において、半導体基板上
に形成されたシリコン酸化膜中にFイオンがイオン注入
により導入された該半導体基板を真空下において加熱昇
温処理し、前記半導体基板より脱離するガスを計測し,
予め計測された脱離特性と比較することにより半導体基
板の温度を校正することを特徴する半導体基板の温度校
正方法。 - 【請求項9】 前記半導体基板はシリコン基板であるこ
とを特徴とする請求項8項記載の半導体基板の温度校正
方法。
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- 1998-10-30 JP JP10310537A patent/JP3080933B2/ja not_active Expired - Fee Related
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