JP3593080B2

JP3593080B2 - Temperature measuring method, temperature measuring substrate used therefor, and method for evaluating lamp heating device

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Publication number: JP3593080B2
Application number: JP2001296288A
Authority: JP
Inventors: 聡柴田; 優子南部
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: JP2002208567A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ランプ加熱装置に投入された基板の温度及び温度分布をより正確に測定することができる温度測定方法及びそれに用いる温度測定用基板、並びに該温度測定用基板を用いたランプ加熱装置の評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセスにおいて、ウェハが熱にさらされる熱装置に投入されたウェハの実際の温度（実温度）を測定する方法が、国際公開ＷＯ９８／５７１４６号公報に開示されている。
【０００３】
該公報には、シリコンウェハの上部にイオン注入によりアモルファス層を形成し、アモルファス層が形成されたシリコンウェハを装置に投入して熱処理を行なうことにより、シリコンウェハの実温度を測定する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本願発明者らは、前記従来の温度測定方法を種々検討した結果、後述するように、ランプ加熱装置を用いる場合には基板の実温度を正確に測定することができないという問題点を見出している。
【０００５】
前記従来の問題を解決するため、本発明は、ランプ加熱装置に投入された半導体基板の実温度及び温度分布を誤差なく測定することができるようにすることを第１の目的とする。さらに、ランプ加熱装置が、ウェハの成膜状態によりランプ光のウェハに対する透過光の影響を受ける装置か受けない装置かを評価できるようにすることを第２の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するため、本発明に係る温度測定方法は、ランプ加熱装置に投入された基板の基板温度を温度測定用基板を用いて測定する温度測定方法を対象とし、結晶状態で形成された第１の半導体層と、該第１の半導体層の上にアモルファス状態で形成された第２の半導体層と、該第２の半導体層の上に形成された光吸収膜とを有する温度測定用基板を準備する工程と、温度測定用基板をランプ加熱装置に投入した後、投入された温度測定用基板にランプ光を照射することにより、光吸収膜を介して第２の半導体層を加熱する工程と、加熱された第２の半導体層における第１の半導体層との界面が、アモルファス状態から結晶状態に回復する際の回復レートの値を算出する工程と、回復レートの値と該回復レートの値に対する温度との関係から、ランプ光が照射された温度測定用基板の温度を測定する工程とを備えている。
【０００７】
本発明の温度測定方法によると、温度測定用基板がアモルファス状態の第２の半導体層の上に形成された光吸収膜を有しているため、第１の半導体層及び第２の半導体層を透過してこれら半導体層の加熱に寄与しないランプ光が、光吸収膜により吸収される。このため、第２の半導体層の熱処理後の厚さから算出する温度換算用の回復レートの値をより正確に求めることができる。
【０００８】
本発明の温度測定方法において、ランプ光の少なくとも一部が、第１の半導体層を透過する波長を有していることが好ましい。このような場合に、本発明の効果を確実に得ることができる。
【０００９】
この場合に、ランプ光が、第１の半導体層に対する透過率が所定温度帯域で増大する波長を有していることが好ましい。このような場合に、本発明の効果を確実に得ることができる。
【００１０】
本発明の温度測定方法において、ランプ光の波長が約１．０μｍ以上且つ約３．０μｍ以下であることが好ましい。
【００１１】
本発明の温度測定方法において、第１の半導体層及び第２の半導体層がシリコンからなり、光吸収膜が金属を含む導電膜からなることが好ましい。
【００１２】
この場合に、光吸収膜がシリサイド化が可能な金属からなり、ランプ加熱装置をシリサイド化プロセスに用いることが好ましい。このようにすると、光吸収膜がシリサイドプロセスの金属膜に相当するため、シリサイドプロセスと同一条件で基板温度の測定を行なうことができる。
【００１３】
また、この場合に、所定温度帯域が約４５０℃〜約６００℃であることが好ましい。
【００１４】
この場合に、温度測定用基板が、第２の半導体層と光吸収膜との間に、第２の半導体層と光吸収膜とが互いに反応することを防止するバリア膜を有していることが好ましい。
【００１５】
本発明の温度測定方法において、温度測定用基板の径が約３０．５ｃｍ（約１２インチ）以上であることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る温度測定用基板は、ランプ加熱装置に投入された基板の基板温度を測定するための温度測定用基板を対象とし、結晶状態で形成された第１の半導体層と、第１の半導体層の上にアモルファス状態で形成された第２の半導体層と、第２の半導体層の上に形成された光吸収膜とを備えている。
【００１７】
本発明の温度測定用基板において、第２の半導体層と光吸収膜との間に、第２の半導体層と光吸収膜とが互いに反応することを防止するバリア膜をさらに備えている。
【００１８】
本発明の温度測定用基板において、その径が約３０．５ｃｍ（約１２インチ）以上であることが好ましい。
【００１９】
前記第２の目的を達成するため、本発明に係るランプ加熱装置の評価方法は、ランプ加熱装置に投入された基板におけるランプ光の透過の程度により基板温度が影響を受けるか否かを評価するランプ加熱装置の評価方法を対象とし、結晶状態で形成された第１の半導体層と該第１の半導体層の上にアモルファス状態で形成された第２の半導体層とを有する第１の温度測定用基板と、結晶状態で形成された第３の半導体層と該第３の半導体層の上にアモルファス状態で形成された第４の半導体層と該第４の半導体層の上に形成された光吸収膜とを有する第２の温度測定用基板とを準備する工程と、第１の温度測定用基板及び第２の温度測定用基板をランプ加熱装置に投入した後、投入された第１の温度測定用基板及び第２の温度測定用基板にそれぞれランプ光を照射することにより、第２の半導体層を加熱すると共に、光吸収膜を介して第４の半導体層を加熱する工程と、加熱された第２の半導体層の厚さの加熱時間に対する第１の変化の程度を求めると共に、加熱された第４の半導体層の厚さの加熱時間に対する第２の変化の程度を求める工程と、第１の変化の程度と第２の変化の程度とを比較して、互いの変化の程度がほぼ等しい場合には、第１の温度測定用基板の基板温度が該第１の温度測定用基板を透過するランプ光の影響を受けにくいと評価し、第１の変化の程度が第２の変化の程度よりも小さい場合には、第１の温度測定用基板の基板温度が該第１の温度測定用基板を透過するランプ光の影響を受けやすいと評価する工程とを備えている。
【００２０】
本発明のランプ加熱装置の評価方法によると、吸収膜を設けない第１の温度測定用基板における第２の半導体層（アモルファス層）の厚さの変化の程度と、光吸収膜を設けた第２の温度測定用基板における第４の半導体層（アモルファス層）の厚さの変化の程度とを比較することにより、半導体基板を透過するランプ光の影響を受けやすい加熱装置であるか否かを評価することができる。
【００２１】
ここで、ランプ光の透過の影響を受けやすい装置とは、ランプ光が第１の温度測定用基板を相対的に多く透過することにより、その基板温度が装置に設けられた熱電対温度計等からなる温度計の指示値と異なるような装置をいう。
【００２２】
【発明の実施の形態】
まず、国際公開ＷＯ９８／５７１４６号公報に記載されている、結晶状態で形成された第１の半導体層と、該第１の半導体層の上にアモルファス状態で形成された第２の半導体層とを有する従来の温度測定用ウェハを用いた温度測定方法の原理を説明する。
【００２３】
まず、分光エリプソメータにより、温度測定用ウェハにおける第２の半導体層の厚さを初期値ｔ０として測定しておき、続いて、温度測定用ウェハを熱装置、例えば熱処理装置に投入してａ秒間の熱処理を行なう。その後、第２の半導体層の熱処理後の厚さｔ１を分光エリプソメータにより測定する。ここで、アモルファス状態の第２の半導体層の厚さがｔ０からｔ１に減少するのは、第２の半導体層における第１の半導体層との界面がエピタキシャル成長するためである。
【００２４】
次に、第２の半導体層の厚さの初期値ｔ０及び熱処理後の厚さｔ１から、第２の半導体層の単位時間当たりの減少量、すなわち第２の半導体層の下部がアモルファス状態から結晶状態に回復する回復レートＲの値を算出する。ここで、回復レートＲは以下の式（１）により表わされる。
【００２５】
Ｒ＝｜ｔ１−ｔ０｜／ａ …（１）
但し、０≦ｔ１≦ｔ０である。
【００２６】
式（１）から得られた回復レートＲを、図１３に示すグラフ（回復レートＲと温度Ｔとの関係：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４８，Ｎｏ．１０（１９９７）ｐ．４２３４により作成）に適用すると、シリコンウェハ１０１の実温度を測定することができる。なお、ここでは、アモルファス化された第２の半導体層はヒ素（Ａｓ）イオンが注入されることにより形成されている。
【００２７】
本願発明者らは、図１に示す従来の構成を持つ温度測定用ウェハ１０Ａを用いて、図２（ａ）に示すランプ加熱装置１及び図２（ｂ）に示すヒータ加熱装置２におけるそれぞれのウェハ温度を測定する実験を行なった。
【００２８】
図１に示すように、温度測定用ウェハ１０Ａは、結晶シリコンからなる第１の半導体層１１ａと該第１の半導体層１１ａの上に形成されたアモルファスシリコンからなる第２の半導体層１１ｂとを有している。
【００２９】
ランプ加熱装置１は、図２（ａ）に示すように、チャンバ３内の上部に設けられ、１μｍ以上の発光波長を持つハロゲンランプ４を備えている。一方、ヒータ加熱装置２は、チャンバ３の上方に設けられたヒータ５を備えている。なお、図示はしていないが、加熱装置１、２に温度測定用ウェハ１０Ａをそれぞれ投入した後、各ウェハ１０Ａの下面には熱電対温度計が接触される。
【００３０】
図３は温度測定用ウェハ１０Ａの熱処理時間と第２の半導体層（アモルファス層）１１ｂの厚さとの関係を表わしている。図３において、縦軸はアモルファス層の厚さを示し、横軸は熱処理時間を示している。ここでは、各加熱装置１、２に投入した温度測定用ウェハ１０Ａに対して、それぞれ、温度が５５０℃で３０秒間及び６０秒間の２回ずつの加熱処理を行なった後の、各第２の半導体層（アモルファス層）１１ｂの厚さを測定している。なお、各ウェハ１０Ａの温度の測定には、各加熱装置１、２に設けられた熱電対温度計を用いている。
【００３１】
図３に示すように、ランプ加熱装置１とヒータ加熱装置２とにおける各アモルファス層の減少率を比較すると、ランプ加熱装置１を用いた場合の減少率はヒータ加熱装置２を用いた場合の減少率と比べて、熱処理時間に対するアモルファス層の回復レートが小さいことが分かる。
【００３２】
さらに、この回復レートと図１３に示したグラフから、ヒータ加熱装置２の熱電対温度計はウェハ１０Ａの実温度を表わしているものの、ランプ加熱装置１における熱電対温度計の指示値はウェハ１０Ａの実温度を表わしていないことを確認している。
【００３３】
本願発明者らは、このような温度測定用ウェハ１０Ａの加熱方式の相違により第２の半導体層１１ｂの減少量が大きく異なる原因について種々検討した結果、以下のような結論を得ている。
【００３４】
すなわち、図４に示すように、シリコンからなる温度測定用ウェハ１０Ａは、その実温度が約４５０℃〜６００℃の温度帯域で且つ１μｍ〜３μｍの波長帯域においてランプ光のウェハ１０Ａに対する吸収率が小さくなる。言い換えると、ランプ光のウェハ１０Ａに対する透過率が大きくなるため、熱電対温度計が示す温度はランプ光により上昇したとしても、温度測定用ウェハ１０Ａの温度は熱電対温度計が示す温度にまでは達していない。その結果、ランプ加熱装置１の熱電対温度計が示す温度と温度測定用ウェハ１０Ａの回復レートによる実温度とに誤差が生じる。
【００３５】
以上のことから、本願発明者らは、ランプ加熱装置１のウェハ温度を温度測定用ウェハ１０Ａを用いて測定する場合に、測定温度帯域が約４５０℃〜６００℃で且つ構成がシリコンからなる第１の半導体層１１ａの上部にアモルファスシリコンからなる第２の半導体層１１ｂを持つ温度測定用ウェハ１０Ａでは、ウェハの実温度を正確に測定することができないという知見を得ている。
【００３６】
この知見に基づいて、本発明は温度測定用ウェハの表面にランプ光を吸収する光吸収膜を設ける構成とする。
【００３７】
さらに、光吸収膜を設けない構成の温度測定用ウェハと、光吸収膜を設けた構成の温度測定用ウェハとを用いて、各アモルファス層の減少率からランプ加熱装置におけるウェハの実温度がランプ光の影響を受けるか否かを評価することが可能となる。
【００３８】
なお、温度測定用ウェハ１０Ａの第２の半導体層１１ｂを、例えばヒ素イオンの注入により形成した場合には、測定可能な温度範囲は、注入条件にも依るが、ほぼ４７５℃〜５７５℃である。
【００３９】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００４０】
図５は本発明の第１の実施形態に係る温度測定方法に用いる温度測定用ウェハの断面構成を示している。
【００４１】
図５に示すように、第１の実施形態に係る温度測定用ウェハ１０Ｂは、例えば、単結晶シリコンからなる第１の半導体層１１ａと、該第１の半導体層１１ａの上部に形成された厚さが４１ｎｍのアモルファスシリコンからなる第２の半導体層１１ｂと、該第２の半導体層１１ｂの上に形成された厚さが約３ｎｍの酸化シリコンからなるバリア膜１２と、該バリア膜１２の上に形成された、厚さが約２０ｎｍの、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）からなる光吸収膜１３とにより構成されている。
【００４２】
以下、前記のように構成された温度測定用ウェハ１０Ｂの形成方法を図６（ａ）〜図６（ｃ）を用いて説明する。
【００４３】
まず、図６（ａ）に示すように、シリコンウェハ１１Ａを一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）雰囲気で熱酸化処理を行なって、シリコンウェハ１１Ａの上部に厚さが約３ｎｍの酸化シリコンからなるバリア膜１２を形成する。
【００４４】
次に、図６（ｂ）に示すように、シリコンウェハ１１Ａに、加速エネルギーが約３０ｋｅＶ及びドーズ量が約３×１０^１４ｃｍ^−２の注入条件でバリア膜１２を介してヒ素イオンを注入することにより、シリコンウェハ１１Ａにアモルファスシリコンからなる第２の半導体層１１ｂを形成する。これにより、シリコンウェハ１１Ａの第２の半導体層１１ｂを除く部分は単結晶シリコンからなる第１の半導体層１１ａとなる。
【００４５】
次に、図６（ｃ）に示すように、例えば、窒素雰囲気でターゲット材に金属チタンを用いたスパッタ法により、バリア膜１２上に窒化チタンからなる光吸収膜１３を成膜する。
【００４６】
第１の実施形態に係る温度測定用ウェハ１０Ｂをランプ加熱装置に適用すると、ランプ光の波長帯域が約１．０μｍ〜３．０μｍ以下であり、且つウェハの実温度が約４５０℃〜６００℃となった場合でも、ランプ光が温度測定用ウェハ１０Ｂの上部に設けた光吸収膜１３により吸収されるため、温度測定用ウェハ１０Ｂに対するランプ光の透過率が変わらない。
【００４７】
前述したように、ランプ加熱装置のなかには、ランプ光のうちの大部分がシリコンウェハを透過してしまうような波長帯域及び加熱温度帯域を含むランプ光を用いる装置が存在するため、アモルファスシリコンからなる第２の半導体層１１ｂのみを有する温度測定用ウェハ１０Ａを用いた温度測定では、ウェハの実温度を正確に測定できない。
【００４８】
一方、第１の実施形態に係る温度測定用ウェハ１０Ｂを用いると、光源と対向する上面に形成された光吸収膜１３によりランプ光が吸収されるため、ウェハの実温度を正確に測定することができる。
【００４９】
なお、第１の実施形態においては、光吸収膜１３に窒化チタン（ＴｉＮ）を用いたが、これに限られない。すなわち、ランプ光のシリコンに対する透過率がシリコンの温度によって変化したとしても、ランプ光を吸収できる材料であれば良い。例えば、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）又は白金（Ｐｔ）等の金属又は金属化合物を用いれば良い。
【００５０】
さらに、温度測定用ウェハ１０Ｂの光吸収膜１３として、チタン、コバルト、ニッケル又は白金等のシリサイド化が可能な金属を用いる場合には、温度測定用ウェハ１０Ｂによる温度測定を、シリコンウェハ上に金属膜を堆積するプロセスに適用すると良い。とりわけ、シリサイドプロセス用の加熱装置に適用すると良い。なぜなら、温度測定用基板１０Ｂが実際のプロセスと同等の状態で測定することができるからである。
【００５１】
第１の実施形態に係る温度測定用ウェハ１０Ｂは、光吸収膜１３と第２の半導体層１１ｂとの間に酸化シリコンからなるバリア膜１２を設けている。このバリア膜１２は必ずしも設ける必要はないが、第２の半導体層１１ｂが光吸収膜１３によりシリサイド化されるような場合には、バリア膜１２が第２の半導体層１１ｂのシリサイド化防止膜として機能するため好ましい。
【００５２】
なお、バリア膜１２は、酸化シリコンに限られず、窒化シリコン又は窒化酸化シリコンを用いてもよい。
【００５３】
また、温度測定用ウェハ１０Ｂにおける第１の半導体層１１ａ及第２の半導体層１１ｂはシリコンに限らず、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）又はリン化インジウム（ＩｎＰ）等を用いてもよい。
【００５４】
以下、第１の実施形態に係る温度測定用ウェハ１０Ｂを用いて、ウェハの実温度を測定する方法を説明する。
【００５５】
まず、図７に示すように、第２の半導体層１１ｂの厚さの初期値ｔ０が４１ｎｍである温度測定用ウェハ１０Ｂを、上部にハロゲンランプ４が設けられたウェハ加熱用のＲＴＡ（急速熱処理）装置２Ａのチャンバ３に投入する。
【００５６】
次に、温度測定用ウェハ１０Ｂを５５０℃で３０秒間加熱する。このときの温度の設定はＲＴＡ装置２Ａに設けられた熱電対等からなる温度計（図示せず）により行なう。
【００５７】
次に、図８（ａ）に示すように、温度測定用ウェハ１０Ｂをチャンバ３から取り出した後、図８（ｂ）に示すように、温度測定用ウェハ１０Ｂの光吸収膜１３を塩素ガス等によりエッチングして除去する。ここで、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す第１の半導体層１１ａにおける破線は、熱処理前の第１の半導体層１１ａと第２の半導体層１１ｂと界面の位置を表わしている。また、光吸収膜１３を除去するのは、分光エリプソメータにより、第２の半導体層１１ｂの加熱後の厚さｔ１を測定できるようにするためである。続いて、分光エリプソメータを用いて、温度測定用ウェハ１０Ｂの全面にわたって複数の測定ポイントにおける第２の半導体層１１ｂの加熱後の厚さｔ１をバリア膜１２を介して測定する。
【００５８】
続いて、第２の半導体層（アモルファス層）１１ｂの膜厚の初期値ｔ０と加熱後の厚さｔ１との差を算出し、単位時間当たりの回復レートＲを下記の式（２）により算出する。
【００５９】
Ｒ＝｜ｔ１−ｔ０｜／ａ …（２）
但し、０≦ｔ１≦ｔ０である。
【００６０】
算出した回復レートＲを図１３に適用して温度に換算する。
【００６１】
また、温度測定用ウェハ１０Ｂは、半導体チップを形成するシリコンウェハからなるため、加熱装置に投入されたウェハの実温度を測定できるだけでなく、図９に示すように、ウェハの面内における温度分布をウェハの中心部のみならず周辺部をも含めてより正確に測定することができる。従って、面内の温度分布にばらつきが生じやすい、径が３０．５ｃｍ（１２インチ）以上のウェハであっても、その温度管理を確実に且つ容易に行なうことができる。
【００６２】
その上、ＲＴＡ装置２Ａに設けられた温度計により設定した設定温度とウェハの実温度との差を検出することができる。
【００６３】
なお、ランプ加熱装置として、光源にハロゲンランプを用いるＲＴＡ装置を例に挙げたが、ランプ光を熱源とする加熱装置であればよい。なかでも、ランプ光が所定の温度帯域においてウェハを透過してしまうため、ウェハ温度が設定値にまで到達しない装置に、第１の実施形態に係る温度測定用ウェハ１０Ｂを用いると、熱電対温度計に頼ることなく、ウェハの実温度を測定することができる。
【００６４】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００６５】
図１０は本発明の第２の実施形態に係るランプ加熱装置の評価方法のフローを示している。
【００６６】
第２の実施形態においては、互いに構成が異なる２種類の温度測定用ウェハを用いて同一条件で温度測定を行なうことにより、ランプ加熱装置に設けられた温度計の指示値が、ランプ光のウェハに対する透過量により、すなわちウェハの成膜状態により、測定温度に影響を受けるか否かを評価する。
【００６７】
具体的には、絶縁膜又は導電膜が形成された状態のウェハと、これらの膜が形成されていない状態のウェハとにおいて、ランプ加熱装置に設けられている温度計の指示値が相異するか否かを判定することができる。なお、ウェハに照射されるランプ光は、ウェハを加熱するだけでなく、加熱中のウェハ温度を測定する場合にも用いられる。
【００６８】
第２の実施形態においては、２種類の温度測定用ウェハに、図１に示した第２の半導体層１１ｂが露出した温度測定用ウェハ１０Ａを第１のウェハとし、図５に示した第２の半導体層１１ｂがバリア膜１２及び光吸収膜１３により覆われた温度測定用ウェハ１０Ｂを第２のウェハとして用いる。
【００６９】
以下、具体的な評価方法を説明する。
【００７０】
まず、図１０が示す第１の工程ＳＴ１において、図１１に示す第１のランプ加熱装置２１及び第２のランプ加熱装置２２の各チャンバ３に、第１のウェハ１０Ａ及び第２のウェハ１０Ｂをそれぞれ投入する。但し、ここでは、第１のウェハ１０Ａにおける第２の半導体層１１ｂの厚さを４４ｎｍとし、第２のウェハ１０Ｂにおける第２の半導体層１１ｂの厚さを４１ｎｍとしている。
【００７１】
次に、図１０が示す第２の工程ＳＴ２において、第１のランプ加熱装置２１に投入された１組目の第１ウェハ１０Ａ及び第２のウェハ１０Ｂに対して５５０℃で３０秒間の熱処理を行なう。続いて、２組目の第１ウェハ１０Ａ及び第２のウェハ１０Ｂと交換して、今度は５５０℃で６０秒間の熱処理を行なう。同様に、第２のランプ加熱装置２２に対しても、１組目のウェハ１０Ａ、１０Ｂに対して５５０℃で３０秒間の熱処理を行ない、続いて、２組目のウェハ１０Ａ、１０Ｂに対して５５０℃で６０秒間の熱処理を行なう。
【００７２】
次に、第３の工程ＳＴ３において、それぞれ取り出した２組ずつのウェハ１０Ａ、１０Ｂを室温にまで冷却し、その後、第４の工程ＳＴ４において、第２の半導体層（アモルファス層）１１ｂの厚さをそれぞれ分光エリプソメータにより測定する。なお、前述したように、光吸収膜１３が形成されている第２のウェハ１０Ｂの場合は、該光吸収膜１３を除去してからアモルファス層の厚さを測定する。
【００７３】
次に、第５の工程ＳＴ５において、例えば、第１のウェハ１０Ａにおけるアモルファス層の減少率（第１の減少率）と、第２のウェハ１０Ｂにおけるアモルファス層の減少率（第２の減少率）とをそれぞれ算出する。ここで、減少率とは、アモルファス層の厚さにおける単位時間当たりの減少量をいう。
【００７４】
図１２（ａ）は第１のランプ加熱装置２１における第１のウェハ１０Ａの第１の減少率と第２のウェハ１０Ｂの第２の減少率とを表わしている。同様に、図１２（ｂ）は第２のランプ加熱装置２２における第１のウェハ１０Ａの第１の減少率と第２のウェハ１０Ｂの第２の減少率とを表わしている。なお、第２の実施形態においては、第１のウェハ１０Ａ及び第２のウェハ１０Ｂにおける各アモルファス層の厚さの変化を減少率を用いて比較したが、これに限られない。すなわち、温度測定用ウェハ１０Ａ、１０Ｂの各アモルファス層における厚さｔ１のそれぞれの変化の程度が分かればよい。
【００７５】
次に、第６の工程ＳＴ６において、加熱装置２１、２２ごとに、各グラフに基づいて、装置の温度計がウェハの成膜状態の影響を受けるか否かを判定する。
【００７６】
すなわち、図１２（ａ）が示すグラフから、光吸収膜１３を有さない第１のウェハ１０Ａにおける第１の減少率は、光吸収膜１３を有する第２のウェハ１０Ｂにおける第２の減少率と比べて、その値が小さいことが分かる。このことは、第１のウェハ１０Ａにおける第２の半導体層１１ｂが、第２のウェハ１０Ｂにおける第２の半導体層１１ｂと同程度に加熱されていないことを表わしている。言い換えれば、第１のランプ加熱装置２１のランプ光の少なくとも一部が第１のウェハ１０Ａを透過してしまい、ウェハの実温度が第２のウェハ１０Ｂと同等に上昇していないことを表わしている。これにより、第１のランプ加熱装置２１は、ウェハの成膜状態の影響を受ける装置であることが分かる。
【００７７】
一方、図１２（ｂ）に示すグラフから、第１のウェハ１０Ａにおける第１の減少率と第２のウェハ１０Ｂにおける第２の減少率とは同等であることが分かる。すなわち、第２のランプ加熱装置２２におけるランプ光は、第１のウェハ１０Ａをほとんど透過せず、該ウェハの実温度が第２のウェハ１０Ｂと同等に上昇していることを表わしている。従って、第２のランプ加熱装置２２は、ウェハの成膜状態の影響を受けない装置であることが分かる。
【００７８】
以上のことから、ランプ加熱装置に設けられている温度計の指示値がウェハの成膜状態により影響を受けるか否かを評価することができる。
【００７９】
その上、ランプ加熱装置の評価結果を用いると、温度測定用ウェハを用いてウェハ温度を測定するには、第１のランプ加熱装置２１のような、ウェハの成膜状態の影響を受ける装置の場合には、ウェハに対するランプ光の透過率が変化しない第２のウェハ１０Ｂを用いれば良いことが分かる。
【００８０】
逆に、第２のランプ加熱装置２２のような、ウェハの成膜状態の影響を受けない装置でウェハの実温度を測定するには、第１のウェハ１０Ａ及び第２のウェハ１０Ｂのいずれを用いても良い。但し、温度測定用ウェハの製造コストの面からは、光吸収膜を持たない第１のウェハ１０Ａを用いることが好ましい。
【００８１】
なお、第２の実施形態においては、第２の半導体層１１ｂの結晶層への回復レートを算出していない。それは、ランプ加熱装置自体がウェハの成膜状態の影響を受けるか否かを判定すれば十分だからであり、回復レートを算出して、わざわざウェハの温度までを求める必要がないからである。
【００８２】
【発明の効果】
本発明に係る温度測定方法によると、第１の半導体層及び第２の半導体層を透過してこれら半導体層の加熱に寄与しないランプ光が、光吸収膜により吸収されるため、第２の半導体層の熱処理後の厚さから算出する温度換算用の回復レートの値をより正確に求めることができるので、ランプ加熱装置に投入された半導体基板の実温度を測定することができる。
【００８３】
また、本発明に係るランプ加熱装置の評価方法によると、吸収膜を設けない第１の温度測定用基板における第２の半導体層の厚さの変化の程度と、光吸収膜を設けた第２の温度測定用基板における第４の半導体層の厚さの変化の程度とを比較することにより、半導体基板を透過するランプ光の影響を受けやすい加熱装置であるか否かを評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の温度測定用ウェハを示す構成断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は従来の温度測定用ウェハを用いてウェハ温度を測定する様子を模式的に示し、（ｂ）はランプ加熱装置の構成断面図であり、（ｂ）はヒータ加熱装置の構成断面図である。
【図３】図２の測定結果であって、温度測定用ウェハの熱処理時間と第２の半導体層（アモルファス層）の厚さとの関係を表わすグラフである。
【図４】シリコンウェハによる光の吸収率の波長及び温度依存性を表わすグラフである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る温度測定用ウェハを示す構成断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る温度測定用ウェハの形成方法を示す工程順の構成断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る温度測定用ウェハを用いてウェハ温度を測定するランプ加熱装置の模式的な構成断面図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る温度測定方法における温度測定用ウェハの工程順の構成断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る温度測定方法により求めたウェハの面内の温度分布を示す平面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るランプ加熱装置の評価方法を示すフロー図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係るランプ加熱装置の評価方法における加熱方法を示す２種類のランプ加熱装置の模式的な構成断面図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るランプ加熱装置の評価方法における温度測定用ウェハのアモルファス層の減少率を表わし、（ａ）はウェハの成膜状態の影響を受ける加熱装置のグラフであり、（ｂ）はウェハの成膜状態の影響を受けない加熱装置のグラフである。
【図１３】アモルファス層の回復レートと温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
２ＡＲＴＡ装置
２１第１のランプ加熱装置
２２第２のランプ加熱装置
３チャンバ
４ハロゲンランプ
１０Ａ（第１の）温度測定用ウェハ
１０Ｂ（第２の）温度測定用ウェハ
１１ａ第１の半導体層
１１ｂ第２の半導体層
１１Ａシリコンウェハ
１２バリア膜
１３光吸収膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a temperature measuring method and a temperature measuring substrate that can be used to more accurately measure the temperature and temperature distribution of a substrate put into a lamp heating device, and a lamp heating device using the temperature measuring substrate. Regarding the evaluation method.
[0002]
[Prior art]
In the semiconductor manufacturing process, a method of measuring an actual temperature (actual temperature) of a wafer placed in a thermal device to which the wafer is exposed to heat is disclosed in International Publication WO98 / 57146.
[0003]
This publication discloses a method of measuring an actual temperature of a silicon wafer by forming an amorphous layer on a silicon wafer by ion implantation, placing the amorphous silicon layer-formed silicon wafer in an apparatus, and performing heat treatment. Have been.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, as a result of various studies on the conventional temperature measurement method, the inventors of the present application have found that, as described later, the actual temperature of the substrate cannot be accurately measured when a lamp heating device is used. ing.
[0005]
In order to solve the above-mentioned conventional problems, a first object of the present invention is to make it possible to measure an actual temperature and a temperature distribution of a semiconductor substrate put into a lamp heating device without errors. It is a second object of the present invention to be able to evaluate whether the lamp heating device is a device affected by the transmitted light of the lamp light to the wafer or not depending on the film formation state of the wafer.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the first object, a temperature measurement method according to the present invention is directed to a temperature measurement method for measuring a substrate temperature of a substrate put into a lamp heating device using a temperature measurement substrate, and in a crystalline state. A first semiconductor layer formed, a second semiconductor layer formed in an amorphous state on the first semiconductor layer, and a light absorbing film formed on the second semiconductor layer A step of preparing a substrate for temperature measurement, and after putting the substrate for temperature measurement into a lamp heating device, by irradiating the entered substrate for temperature measurement with lamp light, the second semiconductor layer via the light absorbing film Heating the interface; calculating the value of the recovery rate when the interface between the heated second semiconductor layer and the first semiconductor layer recovers from the amorphous state to the crystalline state; Temperature for the value of the recovery rate From relationship, and a step of lamp light to measure the temperature of the temperature measuring substrate irradiated.
[0007]
According to the temperature measurement method of the present invention, since the temperature measurement substrate has the light absorbing film formed on the amorphous second semiconductor layer, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are Lamp light that has transmitted and does not contribute to the heating of these semiconductor layers is absorbed by the light absorbing film. Therefore, the value of the recovery rate for temperature conversion calculated from the thickness of the second semiconductor layer after the heat treatment can be more accurately obtained.
[0008]
In the temperature measurement method of the present invention, it is preferable that at least a part of the lamp light has a wavelength that transmits the first semiconductor layer. In such a case, the effects of the present invention can be reliably obtained.
[0009]
In this case, it is preferable that the lamp light has a wavelength at which the transmittance to the first semiconductor layer increases in a predetermined temperature band. In such a case, the effects of the present invention can be reliably obtained.
[0010]
In the temperature measurement method of the present invention, it is preferable that the wavelength of the lamp light is about 1.0 μm or more and about 3.0 μm or less.
[0011]
In the temperature measurement method of the present invention, it is preferable that the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are made of silicon, and the light absorbing film is made of a conductive film containing a metal.
[0012]
In this case, it is preferable that the light absorption film is made of a metal that can be silicided, and the lamp heating device is used for the silicidation process. In this case, since the light absorbing film corresponds to the metal film of the silicide process, the substrate temperature can be measured under the same conditions as in the silicide process.
[0013]
Further, in this case, it is preferable that the predetermined temperature zone is about 450 ° C. to about 600 ° C.
[0014]
In this case, the temperature measurement substrate has a barrier film between the second semiconductor layer and the light absorbing film for preventing the second semiconductor layer and the light absorbing film from reacting with each other. Is preferred.
[0015]
In the temperature measurement method of the present invention, the diameter of the temperature measurement substrate is preferably about 30.5 cm (about 12 inches) or more.
[0016]
A temperature measurement substrate according to the present invention is intended for a temperature measurement substrate for measuring a substrate temperature of a substrate put into a lamp heating device, and includes a first semiconductor layer formed in a crystalline state, The semiconductor device includes a second semiconductor layer formed in an amorphous state on the semiconductor layer, and a light absorbing film formed on the second semiconductor layer.
[0017]
The temperature measuring substrate of the present invention further includes a barrier film between the second semiconductor layer and the light absorbing film for preventing the second semiconductor layer and the light absorbing film from reacting with each other.
[0018]
In the temperature measuring substrate of the present invention, the diameter is preferably about 30.5 cm (about 12 inches) or more.
[0019]
In order to achieve the second object, a method for evaluating a lamp heating device according to the present invention evaluates whether a substrate temperature is affected by a degree of transmission of lamp light in a substrate put into the lamp heating device. A first temperature measurement including a first semiconductor layer formed in a crystalline state and a second semiconductor layer formed in an amorphous state on the first semiconductor layer for an evaluation method of a lamp heating device Substrate, a third semiconductor layer formed in a crystalline state, a fourth semiconductor layer formed in an amorphous state on the third semiconductor layer, and a light formed on the fourth semiconductor layer. Preparing a second substrate for temperature measurement having an absorption film, and supplying the first substrate for temperature measurement and the second substrate for temperature measurement to a lamp heating device and then supplying the first temperature The substrate for measurement and the second substrate for temperature measurement. A step of heating the second semiconductor layer through the light absorbing film while heating the second semiconductor layer by irradiating the lamp light, and a step of heating the thickness of the heated second semiconductor layer. Determining a first degree of change with respect to time and determining a second degree of change with respect to the heating time of the thickness of the heated fourth semiconductor layer; and determining the first degree of change and the second degree of change. When the degree of change is substantially equal to the degree, the evaluation is made that the substrate temperature of the first temperature measurement substrate is hardly affected by the lamp light transmitted through the first temperature measurement substrate. When the degree of the first change is smaller than the degree of the second change, the substrate temperature of the first temperature measuring substrate is affected by the lamp light transmitted through the first temperature measuring substrate. And a step of evaluating it as easy.
[0020]
According to the method for evaluating a lamp heating device of the present invention, the degree of change in the thickness of the second semiconductor layer (amorphous layer) in the first temperature measurement substrate not provided with an absorption film and the degree of change in the thickness of the light absorption film provided By comparing the degree of change in the thickness of the fourth semiconductor layer (amorphous layer) in the substrate for temperature measurement 2 with the degree of change, it can be determined whether or not the heating apparatus is susceptible to the lamp light transmitted through the semiconductor substrate. Can be evaluated.
[0021]
Here, an apparatus that is easily affected by the transmission of the lamp light means that the lamp light transmits a relatively large amount of light through the first temperature measurement substrate, and the substrate temperature is measured by a thermocouple thermometer or the like provided in the apparatus. A device that differs from the indicated value of a thermometer consisting of
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, a first semiconductor layer formed in a crystalline state and a second semiconductor layer formed in an amorphous state on the first semiconductor layer described in International Publication WO98 / 57146 are described. The principle of a conventional temperature measuring method using a conventional wafer for temperature measurement will be described.
[0023]
First, the thickness of the second semiconductor layer in the wafer for temperature measurement is measured as an initial value t0 by a spectroscopic ellipsometer, and then the wafer for temperature measurement is put into a heating device, for example, a heat treatment device, and the thickness is measured for a second. Heat treatment is performed. After that, the thickness t1 of the second semiconductor layer after the heat treatment is measured by a spectroscopic ellipsometer. Here, the reason why the thickness of the second semiconductor layer in the amorphous state decreases from t0 to t1 is that the interface between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer is epitaxially grown.
[0024]
Next, from the initial value t0 of the thickness of the second semiconductor layer and the thickness t1 after the heat treatment, the reduction amount per unit time of the second semiconductor layer, that is, the lower part of the second semiconductor layer changes from an amorphous state to a crystalline state. The value of the recovery rate R for recovering the state is calculated. Here, the recovery rate R is represented by the following equation (1).
[0025]
R = | t1-t0 | / a (1)
However, 0 ≦ t1 ≦ t0.
[0026]
The recovery rate R obtained from the equation (1) is created by a graph shown in FIG. 13 (relation between the recovery rate R and the temperature T: J. Appl. Phys. Vol. 48, No. 10 (1997) p. 4234). When the method is applied to ()), the actual temperature of the silicon wafer 101 can be measured. Here, the second semiconductor layer which has been made amorphous is formed by implanting arsenic (As) ions.
[0027]
The inventors of the present application used the temperature measuring wafer 10A having the conventional configuration shown in FIG. 1 to form the respective heaters 1 and 2 in the lamp heating device 1 shown in FIG. 2A and the heater heating device 2 shown in FIG. An experiment was performed to measure the wafer temperature.
[0028]
As shown in FIG. 1, a temperature measurement wafer 10A includes a first semiconductor layer 11a made of crystalline silicon and a second semiconductor layer 11b made of amorphous silicon formed on the first semiconductor layer 11a. Have.
[0029]
As shown in FIG. 2A, the lamp heating device 1 includes a halogen lamp 4 provided at an upper portion in the chamber 3 and having an emission wavelength of 1 μm or more. On the other hand, the heater heating device 2 includes a heater 5 provided above the chamber 3. Although not shown, a thermocouple thermometer is brought into contact with the lower surface of each of the wafers 10A after the respective wafers 10A for temperature measurement are put into the heating devices 1 and 2.
[0030]
FIG. 3 shows the relationship between the heat treatment time of the temperature measurement wafer 10A and the thickness of the second semiconductor layer (amorphous layer) 11b. In FIG. 3, the vertical axis indicates the thickness of the amorphous layer, and the horizontal axis indicates the heat treatment time. Here, each of the second wafers after performing the heating process twice at 30 ° C. and 60 seconds at a temperature of 550 ° C., respectively, for the temperature measurement wafer 10 </ b> A placed in each of the heating devices 1 and 2. The thickness of the semiconductor layer (amorphous layer) 11b is measured. The temperature of each wafer 10A is measured using a thermocouple thermometer provided in each of the heating devices 1 and 2.
[0031]
As shown in FIG. 3, comparing the reduction rates of the respective amorphous layers in the lamp heating apparatus 1 and the heater heating apparatus 2, the reduction rate in the case where the lamp heating apparatus 1 is used is reduced in the case where the heater heating apparatus 2 is used. It can be seen that the recovery rate of the amorphous layer with respect to the heat treatment time is smaller than the rate of the heat treatment.
[0032]
Further, from the recovery rate and the graph shown in FIG. 13, although the thermocouple thermometer of the heater heating device 2 indicates the actual temperature of the wafer 10A, the indicated value of the thermocouple thermometer in the lamp heating device 1 is the wafer 10A. It does not represent the actual temperature of
[0033]
The inventors of the present application have conducted various studies on the cause of such a large difference in the reduction amount of the second semiconductor layer 11b due to the difference in the heating method of the temperature measurement wafer 10A, and have obtained the following conclusions.
[0034]
That is, as shown in FIG. 4, the temperature measurement wafer 10A made of silicon has a low absorptivity of the lamp light to the wafer 10A in a temperature band of about 450 ° C. to 600 ° C. and a wavelength band of 1 μm to 3 μm. Become. In other words, since the transmittance of the lamp light to the wafer 10A increases, even if the temperature indicated by the thermocouple thermometer increases due to the lamp light, the temperature of the temperature measurement wafer 10A does not reach the temperature indicated by the thermocouple thermometer. Not reached. As a result, an error occurs between the temperature indicated by the thermocouple thermometer of the lamp heating device 1 and the actual temperature based on the recovery rate of the temperature measurement wafer 10A.
[0035]
From the above, the present inventors have found that when measuring the wafer temperature of the lamp heating apparatus 1 using the wafer 10A for temperature measurement, the measurement temperature band is about 450 ° C. to 600 ° C. and the structure is made of silicon. It has been found that the temperature measurement wafer 10A having the second semiconductor layer 11b made of amorphous silicon on the first semiconductor layer 11a cannot accurately measure the actual temperature of the wafer.
[0036]
Based on this finding, the present invention has a structure in which a light absorbing film that absorbs lamp light is provided on the surface of the wafer for temperature measurement.
[0037]
Further, using a temperature measurement wafer having no light absorption film and a temperature measurement wafer having a light absorption film, the actual temperature of the wafer in the lamp heating device can be determined by the reduction rate of each amorphous layer. It is possible to evaluate whether or not light is affected.
[0038]
When the second semiconductor layer 11b of the temperature measurement wafer 10A is formed by, for example, arsenic ion implantation, the measurable temperature range is approximately 475 ° C. to 575 ° C., depending on the implantation conditions. .
[0039]
(1st Embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0040]
FIG. 5 shows a cross-sectional configuration of a temperature measuring wafer used in the temperature measuring method according to the first embodiment of the present invention.
[0041]
As shown in FIG. 5, the temperature measurement wafer 10B according to the first embodiment includes, for example, a first semiconductor layer 11a made of single crystal silicon and a thickness formed on the first semiconductor layer 11a. A second semiconductor layer 11b made of amorphous silicon having a thickness of 41 nm; a barrier film 12 made of silicon oxide having a thickness of about 3 nm formed on the second semiconductor layer 11b; And a light absorbing film 13 made of, for example, titanium nitride (TiN) and having a thickness of about 20 nm.
[0042]
Hereinafter, a method of forming the temperature measuring wafer 10B configured as described above will be described with reference to FIGS. 6A to 6C.
[0043]
First, as shown in FIG. 6A, a silicon wafer 11A is placed on dinitrogen monoxide (N ₂ O) A thermal oxidation process is performed in an atmosphere to form a barrier film 12 of silicon oxide having a thickness of about 3 nm on the silicon wafer 11A.
[0044]
Next, as shown in FIG. 6B, the silicon wafer 11A has an acceleration energy of about 30 keV and a dose of about 3 × 10 ¹⁴ cm ^-2 The second semiconductor layer 11b made of amorphous silicon is formed on the silicon wafer 11A by implanting arsenic ions through the barrier film 12 under the implantation conditions described above. As a result, the portion of the silicon wafer 11A other than the second semiconductor layer 11b becomes the first semiconductor layer 11a made of single crystal silicon.
[0045]
Next, as shown in FIG. 6C, a light absorption film 13 made of titanium nitride is formed on the barrier film 12 by, for example, a sputtering method using metal titanium as a target material in a nitrogen atmosphere.
[0046]
When the temperature measuring wafer 10B according to the first embodiment is applied to a lamp heating device, the wavelength band of the lamp light is about 1.0 μm to 3.0 μm or less, and the actual temperature of the wafer is about 450 ° C. to 600 ° C. Even in the case of, since the lamp light is absorbed by the light absorbing film 13 provided on the temperature measuring wafer 10B, the transmittance of the lamp light to the temperature measuring wafer 10B does not change.
[0047]
As described above, among the lamp heating devices, there is an apparatus that uses lamp light including a wavelength band and a heating temperature band in which most of the lamp light passes through a silicon wafer, and thus is made of amorphous silicon. In the temperature measurement using the temperature measurement wafer 10A having only the second semiconductor layer 11b, the actual temperature of the wafer cannot be accurately measured.
[0048]
On the other hand, when the temperature measurement wafer 10B according to the first embodiment is used, since the lamp light is absorbed by the light absorbing film 13 formed on the upper surface facing the light source, the actual temperature of the wafer can be accurately measured. Can be.
[0049]
In the first embodiment, titanium nitride (TiN) is used for the light absorbing film 13, but the present invention is not limited to this. That is, even if the transmittance of the lamp light to silicon changes depending on the silicon temperature, any material that can absorb the lamp light may be used. For example, a metal or a metal compound such as cobalt (Co), nickel (Ni), or platinum (Pt) may be used.
[0050]
Further, when a metal that can be silicided, such as titanium, cobalt, nickel, or platinum, is used as the light absorbing film 13 of the temperature measurement wafer 10B, the temperature measurement using the temperature measurement wafer 10B is performed on the silicon wafer. It is good to apply to the process of depositing a film. In particular, the present invention is preferably applied to a heating device for a silicide process. This is because the temperature measurement substrate 10B can be measured in a state equivalent to that of an actual process.
[0051]
In the temperature measurement wafer 10B according to the first embodiment, the barrier film 12 made of silicon oxide is provided between the light absorption film 13 and the second semiconductor layer 11b. This barrier film 12 is not necessarily provided, but when the second semiconductor layer 11b is silicided by the light absorbing film 13, the barrier film 12 serves as a silicidation prevention film for the second semiconductor layer 11b. Preferred for functioning.
[0052]
Note that the barrier film 12 is not limited to silicon oxide, and may be silicon nitride or silicon nitride oxide.
[0053]
Further, the first semiconductor layer 11a and the second semiconductor layer 11b in the temperature measurement wafer 10B are not limited to silicon, but may be gallium arsenide (GaAs), germanium (Ge), indium phosphide (InP), or the like. Good.
[0054]
Hereinafter, a method for measuring the actual temperature of the wafer using the temperature measurement wafer 10B according to the first embodiment will be described.
[0055]
First, as shown in FIG. 7, a temperature measurement wafer 10B having an initial value t0 of the thickness of the second semiconductor layer 11b of 41 nm is placed on a wafer heating RTA (rapid heat treatment) provided with a halogen lamp 4 on the top. ) Put into chamber 3 of apparatus 2A.
[0056]
Next, the temperature measurement wafer 10B is heated at 550 ° C. for 30 seconds. At this time, the temperature is set by a thermometer (not shown) including a thermocouple or the like provided in the RTA device 2A.
[0057]
Next, as shown in FIG. 8 (a), after taking out the temperature measurement wafer 10B from the chamber 3, as shown in FIG. 8 (b), the light absorption film 13 of the temperature measurement wafer 10B is changed to chlorine gas or the like. And removed by etching. Here, the broken line in the first semiconductor layer 11a shown in FIGS. 8A and 8B indicates the position of the interface between the first semiconductor layer 11a and the second semiconductor layer 11b before the heat treatment. . The reason why the light absorbing film 13 is removed is that the thickness t1 of the second semiconductor layer 11b after heating can be measured by a spectroscopic ellipsometer. Subsequently, the thickness t1 of the second semiconductor layer 11b after heating at a plurality of measurement points is measured via the barrier film 12 at a plurality of measurement points over the entire surface of the temperature measurement wafer 10B using a spectroscopic ellipsometer.
[0058]
Subsequently, the difference between the initial value t0 of the film thickness of the second semiconductor layer (amorphous layer) 11b and the thickness t1 after heating is calculated, and the recovery rate R per unit time is calculated by the following equation (2). I do.
[0059]
R = | t1-t0 | / a (2)
However, 0 ≦ t1 ≦ t0.
[0060]
The calculated recovery rate R is applied to FIG. 13 and converted into a temperature.
[0061]
Further, since the temperature measurement wafer 10B is made of a silicon wafer for forming semiconductor chips, it can not only measure the actual temperature of the wafer put into the heating device, but also, as shown in FIG. Can be measured more accurately not only at the center of the wafer but also at the periphery. Therefore, even for a wafer having a diameter of 30.5 cm (12 inches) or more, the temperature can be reliably and easily controlled even if the temperature distribution in the plane tends to vary.
[0062]
In addition, the difference between the set temperature set by the thermometer provided in the RTA apparatus 2A and the actual temperature of the wafer can be detected.
[0063]
Although the RTA apparatus using a halogen lamp as a light source has been described as an example of the lamp heating apparatus, any heating apparatus using lamp light as a heat source may be used. Above all, when the temperature measurement wafer 10B according to the first embodiment is used in an apparatus in which the wafer temperature does not reach the set value, since the lamp light transmits through the wafer in a predetermined temperature band, the thermocouple temperature The actual temperature of the wafer can be measured without relying on a meter.
[0064]
(Second embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0065]
FIG. 10 shows a flow of an evaluation method of the lamp heating device according to the second embodiment of the present invention.
[0066]
In the second embodiment, by performing temperature measurement under the same conditions using two types of temperature measurement wafers having different configurations from each other, the indicated value of the thermometer provided in the lamp heating device is changed to the wafer of the lamp light. It is evaluated whether or not the measurement temperature is affected by the amount of transmitted light, that is, the film formation state of the wafer.
[0067]
Specifically, the indicated value of the thermometer provided in the lamp heating device differs between the wafer in which the insulating film or the conductive film is formed and the wafer in which these films are not formed. Can be determined. The lamp light applied to the wafer is used not only for heating the wafer but also for measuring the temperature of the wafer during heating.
[0068]
In the second embodiment, a temperature measurement wafer 10A in which the second semiconductor layer 11b shown in FIG. 1 is exposed is used as a first wafer, and a second wafer shown in FIG. The temperature measurement wafer 10B in which the semiconductor layer 11b is covered with the barrier film 12 and the light absorption film 13 is used as a second wafer.
[0069]
Hereinafter, a specific evaluation method will be described.
[0070]
First, in the first step ST1 shown in FIG. 10, the first wafer 10A and the second wafer 10B are placed in each chamber 3 of the first lamp heating device 21 and the second lamp heating device 22 shown in FIG. Inject each. However, here, the thickness of the second semiconductor layer 11b in the first wafer 10A is 44 nm, and the thickness of the second semiconductor layer 11b in the second wafer 10B is 41 nm.
[0071]
Next, in a second step ST2 shown in FIG. 10, the first set of the first wafer 10A and the second wafer 10B put into the first lamp heating device 21 is subjected to a heat treatment at 550 ° C. for 30 seconds. Do. Subsequently, the first wafer 10A and the second wafer 10B of the second set are replaced with each other, and then heat treatment is performed at 550 ° C. for 60 seconds. Similarly, the second lamp heating device 22 is also subjected to a heat treatment at 550 ° C. for 30 seconds on the first set of wafers 10A and 10B, and then on the second set of wafers 10A and 10B. Heat treatment is performed at 550 ° C. for 60 seconds.
[0072]
Next, in a third step ST3, the two sets of wafers 10A and 10B taken out are cooled to room temperature, and then, in a fourth step ST4, the thickness of the second semiconductor layer (amorphous layer) 11b is reduced. Are respectively measured by a spectroscopic ellipsometer. As described above, in the case of the second wafer 10B on which the light absorbing film 13 is formed, the thickness of the amorphous layer is measured after removing the light absorbing film 13.
[0073]
Next, in a fifth step ST5, for example, the reduction rate of the amorphous layer in the first wafer 10A (first reduction rate) and the reduction rate of the amorphous layer in the second wafer 10B (second reduction rate) Are calculated respectively. Here, the reduction rate refers to a reduction amount per unit time in the thickness of the amorphous layer.
[0074]
FIG. 12A shows the first reduction rate of the first wafer 10A and the second reduction rate of the second wafer 10B in the first lamp heating device 21. Similarly, FIG. 12B shows the first reduction rate of the first wafer 10A and the second reduction rate of the second wafer 10B in the second lamp heating device 22. In the second embodiment, the change in the thickness of each amorphous layer in the first wafer 10A and the second wafer 10B is compared using the reduction rate, but the present invention is not limited to this. That is, the degree of each change in the thickness t1 of each of the amorphous layers of the temperature measurement wafers 10A and 10B may be determined.
[0075]
Next, in a sixth step ST6, it is determined for each of the heating devices 21 and 22 whether or not the thermometer of the device is affected by the film formation state of the wafer based on each graph.
[0076]
That is, from the graph shown in FIG. 12A, the first reduction rate in the first wafer 10A without the light absorption film 13 is the second reduction rate in the second wafer 10B having the light absorption film 13. It can be seen that the value is smaller than. This means that the second semiconductor layer 11b in the first wafer 10A is not heated to the same degree as the second semiconductor layer 11b in the second wafer 10B. In other words, it indicates that at least a part of the lamp light of the first lamp heating device 21 has passed through the first wafer 10A, and the actual temperature of the wafer has not risen as well as the second wafer 10B. I have. This indicates that the first lamp heating device 21 is a device that is affected by the film formation state of the wafer.
[0077]
On the other hand, the graph shown in FIG. 12B shows that the first reduction rate of the first wafer 10A is equal to the second reduction rate of the second wafer 10B. That is, the lamp light in the second lamp heating device 22 hardly passes through the first wafer 10A, indicating that the actual temperature of the wafer has risen to the same level as that of the second wafer 10B. Therefore, it is understood that the second lamp heating device 22 is a device that is not affected by the film formation state of the wafer.
[0078]
From the above, it is possible to evaluate whether or not the indicated value of the thermometer provided in the lamp heating device is affected by the film formation state of the wafer.
[0079]
In addition, using the evaluation result of the lamp heating device, in order to measure the wafer temperature using the temperature measurement wafer, a device such as the first lamp heating device 21 that is affected by the film formation state of the wafer is used. In this case, it can be seen that the second wafer 10B in which the transmittance of the lamp light to the wafer does not change should be used.
[0080]
Conversely, in order to measure the actual temperature of the wafer using an apparatus that is not affected by the film formation state of the wafer, such as the second lamp heating apparatus 22, either the first wafer 10A or the second wafer 10B must be measured. May be used. However, from the viewpoint of the manufacturing cost of the wafer for temperature measurement, it is preferable to use the first wafer 10A having no light absorbing film.
[0081]
In the second embodiment, the recovery rate of the second semiconductor layer 11b to the crystal layer is not calculated. This is because it is sufficient to determine whether or not the lamp heating device itself is affected by the film formation state of the wafer, and it is not necessary to calculate the recovery rate and find the temperature of the wafer.
[0082]
【The invention's effect】
According to the temperature measuring method according to the present invention, the lamp light that does not contribute to heating the semiconductor layers through the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is absorbed by the light absorbing film. Since the value of the recovery rate for temperature conversion calculated from the thickness of the layer after the heat treatment can be more accurately obtained, the actual temperature of the semiconductor substrate put into the lamp heating device can be measured.
[0083]
Further, according to the method for evaluating a lamp heating device according to the present invention, the degree of change in the thickness of the second semiconductor layer in the first temperature measuring substrate not provided with the absorbing film and the degree of change in the second By comparing with the degree of change in the thickness of the fourth semiconductor layer in the temperature measurement substrate, it is possible to evaluate whether or not the heating device is susceptible to the lamp light transmitted through the semiconductor substrate. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration sectional view showing a conventional wafer for temperature measurement.
FIGS. 2A and 2B schematically show how a wafer temperature is measured using a conventional wafer for temperature measurement, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the configuration of a lamp heating device; FIG. 3 is a sectional view of the configuration of a heater heating device.
FIG. 3 is a graph showing the measurement result of FIG. 2 and showing a relationship between a heat treatment time of a temperature measurement wafer and a thickness of a second semiconductor layer (amorphous layer).
FIG. 4 is a graph showing wavelength and temperature dependence of light absorption by a silicon wafer.
FIG. 5 is a configuration sectional view showing a wafer for temperature measurement according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view illustrating a method of forming a temperature measuring wafer according to the first embodiment of the present invention in a process order.
FIG. 7 is a schematic sectional view of a lamp heating device for measuring a wafer temperature using a temperature measuring wafer according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 8A and 8B are cross-sectional views of a temperature measuring wafer in a process order in a temperature measuring method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a plan view showing an in-plane temperature distribution of the wafer obtained by the temperature measuring method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a flowchart showing a method for evaluating a lamp heating device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic sectional view of two types of lamp heating devices showing a heating method in a method for evaluating a lamp heating device according to a second embodiment of the present invention.
FIGS. 12A and 12B show a reduction rate of an amorphous layer of a temperature measuring wafer in a method for evaluating a lamp heating device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. It is a graph of the heating apparatus which is affected by the state, and (b) is a graph of the heating apparatus which is not affected by the film formation state of the wafer.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the recovery rate of the amorphous layer and the temperature.
[Explanation of symbols]
2A RTA device
21 First lamp heating device
22 Second lamp heating device
3 chamber
4 Halogen lamp
10A (first) wafer for temperature measurement
10B (second) wafer for temperature measurement
11a First semiconductor layer
11b Second semiconductor layer
11A silicon wafer
12 Barrier film
13 Light absorbing film

Claims

A temperature measuring method for measuring a substrate temperature of a substrate put into a lamp heating device using a substrate for temperature measurement,
A first semiconductor layer formed in a crystalline state, a second semiconductor layer formed in an amorphous state on the first semiconductor layer, and a light absorbing film formed on the second semiconductor layer Preparing a temperature measurement substrate having:
Heating the second semiconductor layer via the light absorbing film by irradiating the temperature measuring substrate with the lamp heating device and then irradiating the input temperature measuring substrate with lamp light; ,
Calculating a value of a recovery rate when the interface between the heated second semiconductor layer and the first semiconductor layer recovers from an amorphous state to a crystalline state;
Measuring the temperature of the temperature measurement substrate irradiated with the lamp light from the relationship between the value of the recovery rate and the temperature with respect to the value of the recovery rate.

The temperature measurement method according to claim 1, wherein at least a part of the lamp light has a wavelength that transmits the first semiconductor layer.

3. The temperature measuring method according to claim 2, wherein the lamp light has a wavelength at which the transmittance to the first semiconductor layer increases in a predetermined temperature band.

The method according to claim 1, wherein a wavelength of the lamp light is about 1.0 μm or more and about 3.0 μm or less.

The first semiconductor layer and the second semiconductor layer are made of silicon;
The temperature measuring method according to claim 1, wherein the light absorbing film is formed of a conductive film containing a metal.

The light absorbing film is made of a metal that can be silicided,
The temperature measuring method according to claim 5, wherein the lamp heating device is used for a silicidation process.

The temperature measurement method according to claim 5, wherein the predetermined temperature range is from about 450 ° C. to about 600 ° C. 8.

The substrate for temperature measurement has a barrier film between the second semiconductor layer and the light absorbing film for preventing the second semiconductor layer and the light absorbing film from reacting with each other. The temperature measuring method according to claim 5 or 6, wherein

7. The temperature measuring method according to claim 1, wherein the diameter of the temperature measuring substrate is about 30.5 cm or more.

A temperature measurement substrate for measuring the substrate temperature of the substrate put into the lamp heating device,
A first semiconductor layer formed in a crystalline state;
A second semiconductor layer formed in an amorphous state on the first semiconductor layer;
A light absorbing film formed on the second semiconductor layer ;
Between the light absorbing film and the second semiconductor layer, a temperature measurement, characterized in that said second semiconductor layer and the light absorbing film is e Bei a barrier film which prevents react with each other Substrate.

The substrate for temperature measurement according to claim 10, wherein the diameter is about 30.5 cm or more.

A method for evaluating a lamp heating device, which evaluates whether a substrate temperature is affected by a degree of transmission of lamp light in a substrate put into the lamp heating device,
A first temperature measurement substrate having a first semiconductor layer formed in a crystalline state and a second semiconductor layer formed in an amorphous state on the first semiconductor layer; and a first temperature measuring substrate formed in a crystalline state. A second temperature measurement including a third semiconductor layer, a fourth semiconductor layer formed in an amorphous state on the third semiconductor layer, and a light absorbing film formed on the fourth semiconductor layer Preparing a substrate for use;
After the first temperature measurement substrate and the second temperature measurement substrate are charged into the lamp heating device, a lamp light is applied to the input first temperature measurement substrate and the second temperature measurement substrate, respectively. Irradiating, heating the second semiconductor layer and heating the fourth semiconductor layer via the light absorbing film;
A first degree of change of the thickness of the heated second semiconductor layer with respect to the heating time is determined, and a second degree of change of the thickness of the heated fourth semiconductor layer with respect to the heating time is determined. Process and
Comparing the degree of the first change and the degree of the second change, and when the degrees of the change are substantially equal to each other, the substrate temperature of the first temperature measuring substrate is set to the first temperature. Assume that the first change is smaller than the second change when the first change is smaller than the second change. Evaluating that the lamp is susceptible to the influence of the lamp light transmitted through the first temperature measurement substrate.