JP5013055B2

JP5013055B2 - 温度分布測定方法及び熱処理装置の調整方法

Info

Publication number: JP5013055B2
Application number: JP2006245485A
Authority: JP
Inventors: 克好松浦; 亘中村
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2026-09-11
Also published as: JP2008066643A

Description

本発明は、温度分布測定方法及び熱処理装置の調整方法に関する。

半導体装置の製造工程においては、ＣＶＤ法等による成膜、熱処理（アニール）、エッチングなどの様々なプロセスが行われる。

半導体装置の製造歩留りを向上させるためには、熱処理を行う際の半導体ウェハの面内温度分布を均一化することが重要である。

半導体ウェハの面内温度分布を測定する技術としては、以下のような技術が提案されている。

即ち、特許文献１には、モニタ用半導体ウェハの表面に不純物を導入する工程と、モニタ用半導体ウェハを熱処理する熱処理工程と、モニタ用半導体ウェハの表面の各箇所のシート抵抗を測定する工程と、得られたシート抵抗と、予め求めたシート抵抗と熱処理温度との関係に基づいて熱処理工程におけるモニタ用半導体ウェハの温度分布を求める工程とを有するモニタ用半導体ウェハの温度測定方法が開示されている。

また、特許文献２には、不純物を導入したモニタ用半導体ウェハを熱処理する工程と、モニタ用半導体ウェハの表面の複数箇所のシート抵抗を測定する工程と、得られたシート抵抗と予め求めていたシート抵抗と温度との関係に基づいて熱処理工程におけるモニタ用半導体ウェハの温度を求める工程とを有する温度測定方法が開示されている。
特開２０００−２０８５２４号公報特開２００４−３９７７６号公報

しかしながら、特許文献１，２により提案されている温度測定方法により求められるモニタ用半導体ウェハの面内温度分布は、実際の半導体ウェハを熱処理する際の面内温度分布と著しく異なる場合があった。例えば、ＦＲＡＭを製造する際には、半導体ウェハ上に下部電極及びキャパシタ誘電体膜を形成した後、キャパシタ誘電体膜の結晶性を向上するための熱処理が行われる。導電膜上に形成したキャパシタ誘電体膜等を熱処理する際の半導体ウェハの面内温度分布は、提案されている温度測定方法により求められるモニタ用半導体ウェハの面内温度分布と著しく異なる。このため、提案されている温度測定方法により得られるモニタ用半導体ウェハの面内温度分布の測定結果に基づいて、均一な面内温度分布が得られるように熱処理装置の加熱ランプ群の各々の出力を調整した場合には、実際に半導体ウェハを熱処理する際に均一な面内温度分布が得られない場合があった。

本発明の目的は、半導体ウェハを熱処理する際の面内温度分布をより正確に求め得る温度分布測定方法、及び、その温度分布測定方法を用いた熱処理装置の調整方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、モニタ用半導体ウェハの第１の面に、ドーパント不純物を導入する工程と、前記第１の面の反対側の前記モニタ用半導体ウェハの第２の面に、導電膜を形成する工程と、接触型の温度センサを用いて前記モニタ用半導体ウェハの一部における絶対的な温度を測定しながら、前記モニタ用半導体ウェハに対して熱処理を行う工程と、前記モニタ用半導体ウェハの前記第１の面の各箇所におけるシート抵抗を測定する工程と、測定により得られたシート抵抗と、予め求めていたシート抵抗と熱処理温度との関係と、前記温度センサにより測定された前記モニタ用半導体ウェハの前記一部における絶対的な温度とに基づいて、前記熱処理工程における前記モニタ用半導体ウェハの面内の絶対的な温度分布を求める工程とを有することを特徴とする温度分布測定方法が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、モニタ用半導体ウェハの第１の面に、ドーパント不純物を導入する工程と、前記第１の面の反対側の前記モニタ用半導体ウェハの第２の面に、導電膜を形成する工程と、接触型の温度センサを用いて前記モニタ用半導体ウェハの一部における絶対的な温度を測定しながら、熱処理装置の加熱ランプ群により、前記モニタ用半導体ウェハに対して熱処理を行う工程と、前記モニタ用半導体ウェハの前記第１の面の各箇所におけるシート抵抗を測定する工程と、測定により得られたシート抵抗と、予め求めていたシート抵抗と熱処理温度との関係と、前記温度センサにより測定された前記モニタ用半導体ウェハの前記一部における絶対的な温度とに基づいて、前記熱処理工程における前記モニタ用半導体ウェハの面内の絶対的な温度分布を求める工程と、前記モニタ用半導体ウェハの面内の温度分布が均一になるように、前記加熱ランプ群の各々の出力を調整する工程とを有することを特徴とする熱処理装置の調整方法が提供される。

本発明によれば、一方の面にドーパント不純物が導入され、他方の面に導電膜が形成されたモニタ用半導体ウェハを用いて、熱処理を行う際のモニタ用半導体ウェハの面内温度分布を求めるため、導電膜等が形成された半導体ウェハを熱処理する際の半導体ウェハの面内温度分布を正確に求めることができる。

そして、導電膜等が形成されたモニタ用半導体ウェハにおける面内温度分布が均一になるように、熱処理装置の加熱ランプ群を構成する各々の加熱ランプの出力を調整し、こうして調整された熱処理装置を用いて、導電膜等が形成された半導体ウェハに対して熱処理を行えば、熱処理を行う際の半導体ウェハの面内温度分布を均一化することができる。

図５は、ベアの半導体ウェハ、具体的には、導電膜等が形成されていない半導体ウェハに対して熱処理を行った際の各部の温度変化を示すグラフである。図６は、導電膜等が形成された半導体ウェハに対して熱処理を行った際の各部の温度変化を示すグラフである。より具体的には、図６は、膜厚１００ｎｍのシリコン酸化膜、膜厚２０ｎｍのＴｉ膜、膜厚１８０ｎｍのＰｔ膜及び膜厚２００ｎｍのＰＺＴ膜を一方の面に順次成膜した半導体ウェハに対して熱処理を行った場合の各部の温度変化を示すグラフである。

図５（ａ）及び図６において、横軸は時間を示しており、縦軸は温度を示している。図５（ａ）及び図６における番号は、図５（ｂ）に示す測定点の番号に対応している。各部の温度を測定するための温度センサとしては、熱電対を用いた。

図５（ａ）から分かるように、ベアの半導体ウェハでは、半導体ウェハの温度が上昇した後には、半導体ウェハの温度はほとんど低下しない。

一方、図６から分かるように、一方の面に導電膜等が形成された半導体ウェハでは、半導体ウェハの温度が上昇した後、徐々に半導体ウェハの温度が低下する。

また、図５（ａ）から分かるように、ベアの半導体ウェハでは、周縁部が昇温しやすく、中央部が昇温しにくい傾向がある。

一方、図６から分かるように、一方の導電膜等が形成された半導体ウェハでは、周縁部が昇温しにくく、中央部が昇温しやすい傾向がある。

ベアの半導体ウェハと導電膜等が形成された半導体ウェハとで、熱処理の際の温度変化や面内温度分布が大きく異なるのは、以下のような理由によるものと考えられる。

即ち、一方の面に導電膜等が形成された半導体ウェハの場合には、他方の面側から半導体ウェハ内に導入された赤外線が導電膜等により反射されて半導体ウェハ内に戻り、半導体ウェハを更に加熱されるのに対し、ベアの半導体ウェハの場合には、半導体ウェハ内に導入された赤外線を反射する導電膜が存在しない。

また、導電膜が形成された半導体ウェハの場合には、導電膜により熱伝導性が高くなるのに対し、ベアの半導体ウェハの場合には、かかる導電膜は存在しない。

このような構造上の相違点により、ベアの半導体ウェハと、一方の面に導電膜等が形成された半導体ウェハとでは、熱処理の際の温度変化や面内温度分布が大きく異なると考えられる。

図７は、一方の面にボロンをドープした半導体ウェハに対して熱処理を行った際の半導体ウェハの一方の面のシート抵抗の面内分布を示す図である。

図８は、一方の面にボロンをドープし、他方の面に導電膜を形成した半導体ウェハに対して熱処理を行った際の、半導体ウェハの一方の面のシート抵抗の面内分布を示すグラフである。半導体ウェハの他方の面には、膜厚２０ｎｍのＴｉ膜と膜厚１８０ｎｍのＰｔ膜とを順次成膜して成る導電膜を形成した。これらＴｉ膜及びＰｔ膜は、強誘電体キャパシタの下部電極に対応するものである。

図７から分かるように、一方の面にボロンをドープした半導体ウェハに対して熱処理を行った場合には、中央部のシート抵抗が比較的高くなり、周縁部のシート抵抗が比較的低くなる。

一方、図８から分かるように、一方の面にボロンをドープし、他方の面に導電膜を形成した半導体ウェハに対して熱処理を行った場合には、周縁部のシート抵抗が比較的高くなり、中央部のシート抵抗が比較的低くなる。

このように、一方の面にボロンをドープした半導体ウェハに対して熱処理を行った場合と、一方の面にボロンをドープし、他方の面に導電膜を形成した半導体ウェハに対して熱処理を行った場合とでは、シート抵抗の面内分布が互いに著しく異なる。

これらのことから分かるように、提案されている温度測定方法により得られる面内温度分布の測定結果に基づいて、均一な面内温度分布が得られるように熱処理装置の加熱ランプ群の各々の出力を調整し、かかる熱処理装置を用いて導電膜等が形成された半導体ウェハを熱処理した場合には、かかる半導体ウェハの面内温度分布は不均一になってしまうこととなる。

本願発明者らは鋭意検討した結果、一方の面にドーパント不純物を導入され、他方の面に導電膜が形成されたモニタ用半導体ウェハを用いて、面内温度分布を求めることに想到した。このようなモニタ用半導体ウェハを用いれば、導電膜等が形成された半導体ウェハを熱処理する際の半導体ウェハの面内温度分布を正確に求めることが可能となる。そして、導電膜等が形成されたモニタ用半導体ウェハにおける面内温度分布が均一になるように熱処理装置の加熱ランプ群の各々の出力を調整し、こうして調整された熱処理装置を用いて、導電膜等が形成された半導体ウェハに対して熱処理を行えば、熱処理を行う際の半導体ウェハの面内温度分布を均一化することが可能となる。

［一実施形態］
本発明の一実施形態による温度分布測定方法及びその温度分布測定方法を用いた熱処理装置の調整方法を図１乃至図４を用いて説明する。図１及び図２は、本実施形態による温度分布測定方法を示す工程断面図である。図３及び図４は、熱処理温度とシート抵抗との関係を示すグラフである。

まず、半導体ウェハ（モニタ用半導体ウェハ）１０を用意する。かかるモニタ用半導体ウェハ１０としては、第１導電型の半導体ウェハを用いる。具体的には、例えばＮ型のシリコンウェハ１０を用意する。かかるシリコンウェハ１０の比抵抗は、例えば１５±５Ω／□程度である。

次に、イオン注入法により、モニタ用半導体ウェハ１０の第１の面に第２導電型のドーパント不純物を導入する。かかるドーパント不純物としては、例えばボロンを用いる。ドーパント不純物としてボロンを用いるのは、導電膜１４を形成した後のプロセス温度となる８００℃以下の温度領域において感度が良好となるためである。イオン注入条件は、例えば５０ｋｅＶ程度とする。ドーパント不純物のドーズ量は、例えば臨界ドーズ量以上とする。ここで、臨界ドーズ量とは、半導体ウェハ中において活性化させることが可能なドーズ量のことである。ここでは、ドーパント不純物のドーズ量を、例えば１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度とする。イオン注入の際にチャネリングが生じないよう、チルト角を例えば７度、ツイスト角を例えば２２度とする。

こうして、図１（ａ）に示すように、モニタ用半導体ウェハ１０の第１の面に、不純物注入領域１２が形成される。

次に、例えばスパッタリング法により、モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面、即ち、モニタ用半導体ウェハ１０の第１の面に対して反対側の面に、導電膜１４を形成する（図１（ｂ）参照）。導電膜１４としては、例えば金属又は金属化合物より成る導電膜を形成する。ここでは、導電膜１４として、例えば膜厚２０ｎｍのＴｉ膜を形成する。導電膜１４の成膜温度は、例えば１５０℃とする。導電膜１４は、実際の半導体装置においては、例えばキャパシタの下部電極に対応するものである。

なお、本実施形態において、導電膜１４の材料としてＴｉ膜を用いるのは、Ｔｉ膜は比較的除去しやすく、モニタ用半導体ウェハ１０の再生が容易となるためである。

また、不純物注入領域１２が形成された第１の面と反対側の第２の面に導電膜１４を形成するのは、不純物注入領域１２が形成された第１の面に導電膜１４を形成した場合には、不純物注入領域１２が導電膜１４により覆われてしまい、モニタ用半導体ウェハ１０のシート抵抗を測定することができなくなってしまうためである。

こうして、第１の面に第２導電型の不純物注入領域１２が形成され、第２の面に導電膜１４が形成されたモニタ用半導体ウェハ１０が形成される。

例えばＦＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）を製造する際には、下部電極の材料として例えばＴｉ膜とＰｔ膜との積層膜が用いられるが、本実施形態においては、モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面に、Ｔｉ膜のみを形成している。本実施形態において、モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面にＴｉ膜のみを形成しているのは、以下のような理由によるものである。

図９乃至図１９は、熱処理された半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示す図である。

図９及び図１０は、半導体ウェハの第１の面にドーパント不純物を導入し、半導体ウェハの第２の面に膜厚２０ｎｍのＴｉ膜と膜厚１８０ｎｍのＰｔ膜とを順次積層し、５７３℃、９０秒の熱処理を行った場合のシート抵抗の面内分布を示している。図１１は、半導体ウェハの第１の面にドーパント不純物を導入し、半導体ウェハの第２の面に膜厚２０ｎｍのＴｉ膜のみを形成し、５７３℃、９０秒の熱処理を行った場合のシート抵抗の面内分布を示している。図１２は、半導体ウェハの第１の面にドーパント不純物を導入し、半導体ウェハの第２の面に膜厚５０ｎｍのＴｉ膜のみを形成し、５７３℃、９０秒の熱処理を行った場合のシート抵抗の面内分布を示している。図１３は、半導体ウェハの第１の面にドーパント不純物を導入し、半導体ウェハの第２の面に膜厚１００ｎｍのＴｉ膜のみを形成し、５７３℃、９０秒の熱処理を行った場合のシート抵抗の面内分布を示している。図１４は、半導体ウェハの第１の面にドーパント不純物を導入し、半導体ウェハの第２の面に膜厚２００ｎｍのＴｉ膜のみを形成し、５７３℃、９０秒の熱処理を行った場合のシート抵抗の面内分布を示している。

図９乃至図１４から分かるように、熱処理条件が比較的低温かつ長時間の場合には、半導体ウェハの第２の面にＴｉ膜のみを形成した場合と、半導体ウェハの第２の面にＴｉ膜とＰｔ膜との積層膜を形成した場合とで、シート抵抗の面内分布に大差はない。

図１５は、半導体ウェハの第１の面にドーパント不純物を導入し、半導体ウェハの第２の面に膜厚２０ｎｍのＴｉ膜と膜厚１８０ｎｍのＰｔ膜とを順次積層し、７０８℃、２０秒の熱処理を行った場合のシート抵抗の面内分布を示している。図１６は、半導体ウェハの第１の面にドーパント不純物を導入し、半導体ウェハの第２の面に膜厚２０ｎｍのＴｉ膜のみを形成し、７０８℃、２０秒の熱処理を行った場合のシート抵抗の面内分布を示している。図１７は、半導体ウェハの第１の面にドーパント不純物を導入し、半導体ウェハの第２の面に膜厚５０ｎｍのＴｉ膜のみを形成し、７０８℃、２０秒の熱処理を行った場合のシート抵抗の面内分布を示している。図１８は、半導体ウェハの第１の面にドーパント不純物を導入し、半導体ウェハの第２の面に膜厚１００ｎｍのＴｉ膜のみを形成し、７０８℃、２０秒の熱処理を行った場合のシート抵抗の面内分布を示している。図１９は、半導体ウェハの第１の面にドーパント不純物を導入し、半導体ウェハの第２の面に膜厚２００ｎｍのＴｉ膜のみを形成し、７０８℃、２０秒の熱処理を行った場合のシート抵抗の面内分布を示している。

図１５乃至図１９から分かるように、熱処理条件が比較的高温かつ短時間の場合にも、半導体ウェハの第２の面にＴｉ膜のみを形成した場合と、半導体ウェハの第２の面にＴｉ膜とＰｔ膜との積層膜を形成した場合とで、シート抵抗の面内分布に大差はない。

これらのことから、半導体ウェハの第２の面にＴｉ膜のみを形成して熱処理を行った場合のシート抵抗の面内分布と、半導体ウェハの第２の面にＴｉ膜とＰｔ膜との積層膜を形成して熱処理を行った場合のシート抵抗の面内分布とには、大差がないことが分かる。

ところで、モニタ用半導体ウェハ１０にＰｔ膜を形成した場合には、モニタ用半導体ウェハ１０の再生処理が容易ではない。

このため、本実施形態では、モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面にＴｉ膜のみを形成している。

なお、ここでは、導電膜１４として２０ｎｍのＴｉ膜を形成する場合を例に説明したが、Ｔｉ膜の膜厚は２０ｎｍに限定されるものではない。ただし、Ｔｉ膜の膜厚を１０ｎｍより薄くした場合には、導電膜１４による赤外線の反射率が著しく小さくなり、導電膜１４による熱伝導も著しく小さくなる。そうすると、下部電極等が形成された半導体ウェハを熱処理する際の面内温度分布と、モニタ用半導体ウェハ１０を熱処理する際の面内温度分布とは、著しく異なってしまうこととなる。このため、導電膜１４としてＴｉ膜を用いる場合には、Ｔｉ膜の膜厚を１０ｎｍ以上とすることが望ましい。

次に、熱処理装置のチャンバ内にモニタ用半導体ウェハ１０を導入する。かかる熱処理装置としては、例えばランプアニール装置を用いる。かかるランプアニール装置としては、例えば短時間アニール（ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）装置を用いる。熱処理装置のチャンバ内にモニタ用半導体ウェハ１０を載置する際には、モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面、即ち、導電膜１４が形成されている面が表側になるように、モニタ用半導体ウェハ１０を載置台（図示せず）上に載置する。換言すれば、モニタ用半導体ウェハ１０の第１の面が載置台に面するように、載置台上にモニタ用半導体ウェハ１０を載置する。モニタ用半導体ウェハ１０の上方及び下方には、複数の加熱ランプ２０ａ、２０ｂより成る加熱ランプ群２２ａ、２２ｂがそれぞれ位置する（図２（ａ）参照）。

モニタ用半導体ウェハ１０のある箇所には、温度センサ（図示せず）を接続する。かかる温度センサとしては、例えば熱電対を用いた接触型の温度センサを用いる。

次に、モニタ用半導体ウェハ１０に対して熱処理を行う。熱処理を行う際の雰囲気は、例えばＡｒガス等の不活性雰囲気とする。熱処理を行うと、イオン注入により結晶が壊された箇所においてボロン原子がシリコン原子と置き換わり、自由電子が発生し、不純物注入領域１２が活性状態となる。発生する自由電子の量は、熱処理量に依存する。このため、モニタ用半導体ウェハ１０の第１の面の各部のシート抵抗を測定することにより、モニタ用半導体ウェハ１０の各部における熱処理量、即ち、モニタ用半導体ウェハ１０の各部における熱処理温度を求めることが可能となる。

モニタ用半導体ウェハ１０に対して熱処理を行う際には、モニタ用半導体ウェハ１０の少なくとも一部に接した温度センサを用いて、モニタ用半導体ウェハ１０の一部における絶対的な温度を測定する。

なお、本実施形態において、モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面を表側にした状態で熱処理を行うのは、以下のような理由によるものである。

即ち、例えばキャパシタの下部電極となる導電膜及びキャパシタ誘電体膜が形成された半導体ウェハに対して熱処理を行う際には、かかる導電膜等が形成された面を表側にした状態で熱処理が行われる。

モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面に形成された導電膜１４は、キャパシタの下部電極に対応するものである。

このため、第２の面を表側にした状態でモニタ用半導体ウェハ１０に対して熱処理を行えば、導電膜等が形成された実際の半導体ウェハに対して熱処理を行う場合と同じような条件で、モニタ用半導体ウェハ１０に対して熱処理を行うことが可能となる。

このような理由により、本実施形態では、モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面を表側にした状態で熱処理を行う。

モニタ用半導体ウェハ１０に対して熱処理を行うと、モニタ用半導体ウェハ１０の第１の面に形成されていた不純物注入領域１２は不純物活性領域（不純物拡散領域）１２ａとなる（図２（ｂ）参照）。

次に、モニタ用半導体ウェハ１０の第１の面の各部のシート抵抗を測定する。

次に、予め求めた熱処理温度とシート抵抗との関係に基づいて、熱処理工程におけるモニタ用半導体ウェハ１０の面内温度分布を求める。

熱処理温度とシート抵抗の関係は、以下のようにして予め求めておく。

図３は、熱処理温度とシート抵抗との関係を示すグラフ（その１）である。横軸は熱処理温度を示しており、縦軸はシート抵抗を示している。なお、図３において、５８５℃±３０℃の範囲で熱処理温度とシート抵抗との関係を求めたのは、ＦＲＡＭのキャパシタ誘電体膜を比較的低温で熱処理する場合の熱処理温度が例えば５８５℃程度であるためである。

図３から分かるように、熱処理温度とシート抵抗との関係は、一定の温度範囲内では線形近似することが可能である。図３から分かるように、例えば５５５℃〜６１５℃の範囲内では、熱処理温度が１℃上昇する毎にシート抵抗が例えば１８Ω／□程度低下する。

図４は、熱処理温度とシート抵抗との関係を示すグラフ（その２）である。横軸は熱処理温度を示しており、縦軸はシート抵抗を示している。なお、図４において、７２５℃±５０℃の範囲で熱処理温度とシート抵抗との関係を求めたのは、ＦＲＡＭのキャパシタ誘電体膜を比較的高温で熱処理する場合の熱処理温度が例えば７２５℃程度であるためである。

図４から分かるように、熱処理温度とシート抵抗との関係は、一定の温度範囲内では線形近似することが可能である。図４から分かるように、例えば６７５℃〜７７５℃の範囲内では、熱処理温度が１℃上昇する毎にシート抵抗が約５Ω／□低下する。

熱処理温度とシート抵抗との関係はこのようにして予め求められる。

次に、モニタ用半導体ウェハ１０の各部を測定することにより得られたシート抵抗と、予め求めた熱処理温度とシート抵抗との関係に基づいて、熱処理工程におけるモニタ用半導体ウェハ１０の面内温度分布が求められる。

上述したように、熱処理を行う際には、モニタ用半導体ウェハ１０のある箇所に接続した温度センサにより、モニタ用半導体ウェハ１０のある箇所における絶対的な温度が求められる。従って、モニタ用半導体ウェハ１０の各部を測定することにより得られるシート抵抗と、予め求めた熱処理温度とシート抵抗との関係と、温度センサにより測定される絶対的な温度とに基づいて、モニタ用半導体ウェハ１０における絶対的な面内温度分布が求められる。

次に、モニタ用半導体ウェハ１０の面内温度分布が均一になるように、熱処理装置を調整する。熱処理装置には、上述したように、半導体ウェハを加熱するための加熱ランプ群２２ａ、２２ｂ（図２（ａ）参照）が設けられている。加熱ランプ群２２ａ、２２ｂを構成する各々の加熱ランプ２０ａ、２０ｂの出力を適宜調整すれば、熱処理を行う際のモニタ用半導体ウェハ１０の面内温度分布を制御することができ、ひいては、熱処理を行う際のモニタ用半導体ウェハ１０の面内温度分布を均一化することが可能である。このようにして、モニタ用半導体ウェハ１０の面内温度分布が均一になるように、熱処理装置が調整される。

このようにして調整された熱処理装置を用いて、導電膜等が形成された実際の半導体ウェハを熱処理すれば、熱処理を行う際の半導体ウェハの面内温度分布を均一化することができる。

このように、本実施形態によれば、一方の面にドーパント不純物が導入され、他方の面に導電膜が形成されたモニタ用半導体ウェハ１０を用いて、熱処理を行う際のモニタ用半導体ウェハ１０の面内温度分布を求めるため、導電膜等が形成された半導体ウェハを熱処理する際の半導体ウェハの面内温度分布を正確に求めることができる。

そして、導電膜等が形成されたモニタ用半導体ウェハ１０における面内温度分布が均一になるように、熱処理装置の加熱ランプ群を構成する各々の加熱ランプの出力を調整し、こうして調整された熱処理装置を用いて、導電膜等が形成された半導体ウェハに対して熱処理を行えば、熱処理を行う際の半導体ウェハの面内温度分布を均一化することができる。

（変形例）
次に、本実施形態の変形例による温度分布測定方法及び熱処理装置の調整方法を図１乃至図４を用いて説明する。図２０及び図２１は、本変形例による温度分布測定方法を示す工程断面図である。

本変形例による温度分布測定方法及び熱処理装置の調整方法は、モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面に形成された導電膜１４上に誘電体膜１６を更に形成することに主な特徴がある。

まず、モニタ用半導体ウェハ１０の第１の面にドーパント不純物を導入する工程から、モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面に導電膜１４を形成するまでの工程は、図１（ａ）及び図１（ｂ）を用いて上述した第１実施形態による温度分布測定方法と同様であるので説明を省略する。

次に、モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面に形成された導電膜１４上に、誘電体膜１６を形成する。かかる誘電体膜１６は、実際の半導体装置においては、例えばキャパシタ誘電体膜に対応するものである。かかる誘電体膜１６としては、例えば強誘電体膜であるＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３膜（ＰＺＴ膜）を形成する。

こうして、モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面に導電膜１４及び誘電体膜１６が形成されることとなる。

本変形例において、モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面に導電膜１４のみならず誘電体膜１６をも形成するのは、モニタ用半導体ウェハ１０の構成とキャパシタ誘電体膜を熱処理する際の半導体ウェハの構成とを、より近似させるためである。

これにより、キャパシタ誘電体膜を熱処理する際の半導体ウェハの面内温度分布を、モニタ用半導体ウェハ１０を用いてより正確に求めることが可能となる。

この後、熱処理装置のチャンバ内にモニタ用半導体ウェハ１０を導入する工程から熱処理装置を調整するまでの工程は、図２（ａ）及び図２（ｂ）を用いて上述した温度分布測定方法及び熱処理装置の調整方法と同様であるので、説明を省略する。

このように、モニタ用半導体ウェハ１０の第２の面に形成された導電膜１４上に誘電体膜１６を更に形成してもよい。本変形例によれば、キャパシタ誘電体膜を熱処理する際の半導体ウェハの面内温度分布を、モニタ用半導体ウェハ１０を用いてより正確に求めることができる。

［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、導電膜１４として、Ｔｉ膜を形成する場合を例に説明したが、かかる導電膜１４はＴｉ膜に限定されるものではない。例えば、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、又は、Ａｕ等の金属を、導電膜１４の材料として用いてもよい。

また、上記実施形態では、導電膜１４として、金属膜、具体的にはＴｉ膜を用いる場合を例に説明したが、導電膜１４は金属膜に限定されるものではない。例えば、ＴｉＳｉ、ＴｉＳｉ_２、ＺｒＳｉ、ＺｒＳｉ_２、ＨｆＳｉ、ＨｆＳｉ_２、ＶＳｉ_２、ＮｂＳｉ_２、ＴａＳｉ_２、ＣｒＳｉ、ＣｒＳｉ_２、ＭｏＳｉ_２、ＷＳｉ_２、ＭｎＳｉ、ＭｎＳｉ_２、ＴｃＳｉ、ＴｃＳｉ_２、ＲｅＳｉ、ＲｅＳｉ_２、ＦｅＳｉ、ＦｅＳｉ_２、ＲｕＳｉ、ＯｓＳｉ、ＣｏＳｉ、ＣｏＳｉ_２、ＲｈＳｉ、ＲｈＳｉ_２、ＩｒＳｉ、ＩｒＳｉ_２、ＮｉＳｉ、ＮｉＳｉ_２、ＰｄＳｉ、又は、ＰｔＳｉ等の金属化合物（シリサイド）を、導電膜１４の材料として用いてもよい。

また、上記実施形態では、導電膜１４として、金属膜、具体的にはＴｉ膜を用いる場合を例に説明したが、導電膜１４は金属膜に限定されるものではない。例えば、Ｃｒ_２Ｎ、Ｃｕ_３Ｎ、Ｆｅ_４Ｎ、Ｆｅ_３Ｎ、ＬａＮ、Ｌｉ_３Ｎ、Ｍｇ_３Ｎ_２、Ｍｏ_２Ｎ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＴｉＮ、Ｗ_２Ｎ、ＷＮ_２、ＹＮ、又は、ＺｒＮ等の金属化合物（窒化物）を、導電膜１４の材料として用いてもよい。

また、上記実施形態では、モニタ用半導体ウェハ１０としてＮ型の半導体ウェハを用いる場合を例に説明したが、モニタ用半導体ウェハ１０の導電型はＮ型に限定されるものではなく、Ｐ型の半導体ウェハを用いてもよい。

また、上記実施形態では、モニタ用半導体ウェハ１０の第１の面に導入するドーパント不純物としてボロンを用いたが、かかるドーパント不純物はボロンに限定されるものではない。モニタ用半導体ウェハ１０の導電型と異なる導電型のドーパント不純物を適宜用いることができる。

また、上記実施形態では、熱処理を行う際に用いられる熱処理装置として、ランプアニール装置、より具体的には短時間アニール装置を用いる場合を例に説明したが、熱処理を行う際に用いられる熱処理装置はこれに限定されるものではない。本発明の原理は、加熱手段を用いて比較的短時間で半導体ウェハを熱処理する場合に広く適用することができる。

また、上記実施形態では、熱処理を行う際に用いられる熱処理装置として、ランプアニール装置、より具体的には短時間アニール装置を用いる場合を例に説明したが、熱処理装置は熱処理専用の装置に限定されるものではない。例えば、成膜機能と熱処理機能とを併有するＭＯＣＶＤ装置も、熱処理装置に含まれるものとする。

以上詳述したように、本発明の特徴をまとめると以下のようになる。
（付記１）
モニタ用半導体ウェハの第１の面に、ドーパント不純物を導入する工程と、
前記第１の面の反対側の前記モニタ用半導体ウェハの第２の面に、導電膜を形成する工程と、
前記モニタ用半導体ウェハに対して熱処理を行う工程と、
前記モニタ用半導体ウェハの前記第１の面の各箇所におけるシート抵抗を測定する工程と、
測定により得られたシート抵抗と、予め求めていたシート抵抗と熱処理温度との関係に基づいて、前記熱処理工程における前記モニタ用半導体ウェハの面内の温度分布を求める工程と
を有することを特徴とする温度分布測定方法。
（付記２）
請求項１記載の温度分布測定方法において、
前記導電膜は、金属又は金属化合物より成る
ことを特徴とする温度分布測定方法。
（付記３）
請求項１又は２記載の温度分布測定方法において、
前記熱処理を行う工程では、前記モニタ用半導体ウェハの前記第１の面が載置台に面するように、前記モニタ用半導体ウェハを前記載置台上に載置して、前記モニタ用半導体ウェハに対して熱処理を行う
ことを特徴とする温度分布測定方法。
（付記４）
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の温度分布測定方法において、
前記熱処理を行う工程では、加熱ランプにより、前記モニタ用半導体ウェハに対して熱処理を行う
ことを特徴とする温度分布測定方法。
（付記５）
請求項４記載の温度分布測定方法において、
前記熱処理を行う工程では、短時間アニール法により、前記モニタ用半導体ウェハに対して熱処理を行う
ことを特徴とする温度分布測定方法。
（付記６）
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の温度分布測定方法において、
前記導電膜を形成する工程の後、前記熱処理を行う工程の前に、前記導電膜上に誘電体膜を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする温度分布測定方法。
（付記７）
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の温度分布測定方法において、
前記ドーパント不純物は、ボロンである
ことを特徴とする温度分布測定方法。
（付記８）
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の温度分布測定方法において、
前記導電膜は、Ｔｉ膜である
ことを特徴とする温度分布測定方法。
（付記９）
請求項８記載の温度分布測定方法において、
前記Ｔｉ膜の膜厚は、１０ｎｍ以上である
ことを特徴とする温度分布測定方法。
（付記１０）
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の温度分布測定方法において、
前記熱処理工程では、前記モニタ用半導体ウェハの一部に接続された温度センサを用いて、前記モニタ用半導体ウェハの前記一部における温度を測定し、
前記モニタ用半導体ウェハの温度分布を求める工程では、測定により得られたシート抵抗と、予め求めていたシート抵抗と熱処理温度との関係と、前記温度センサにより測定された前記モニタ用半導体ウェハの前記一部における温度とに基づいて、前記熱処理工程における前記モニタ用半導体ウェハの面内の絶対的な温度分布を求める
ことを特徴とする温度分布測定方法。
（付記１１）
モニタ用半導体ウェハの第１の面に、ドーパント不純物を導入する工程と、
前記第１の面の反対側の前記モニタ用半導体ウェハの第２の面に、導電膜を形成する工程と、
熱処理装置の加熱ランプ群により、前記モニタ用半導体ウェハに対して熱処理を行う工程と、
前記モニタ用半導体ウェハの前記第１の面の各箇所におけるシート抵抗を測定する工程と、
測定により得られたシート抵抗と、予め求めていたシート抵抗と熱処理温度との関係に基づいて、前記熱処理工程における前記モニタ用半導体ウェハの面内の温度分布を求める工程と、
前記モニタ用半導体ウェハの面内の温度分布が均一になるように、前記加熱ランプ群の各々の出力を調整する工程と
を有することを特徴とする熱処理装置の調整方法。

本発明の一実施形態による温度分布測定方法を示す工程断面図（その１）である。本発明の一実施形態による温度分布測定方法を示す工程断面図（その２）である。熱処理温度とシート抵抗との関係を示すグラフ（その１）である。熱処理温度とシート抵抗との関係を示すグラフ（その２）である。導電膜等が形成されていない半導体ウェハに対して熱処理を行った際の各部の温度変化を示すグラフである。導電膜等が形成された半導体ウェハに対して熱処理を行った際の各部の温度変化を示すグラフである。一方の面にボロンをドープした半導体ウェハに対して熱処理を行った際の半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示す図である。一方の面にボロンをドープし、他方の面に導電膜を形成した半導体ウェハに対して熱処理を行った際の、半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示すグラフである。熱処理された半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示す図（その１）である。熱処理された半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示す図（その２）である。熱処理された半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示す図（その３）である。熱処理された半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示す図（その４）である。熱処理された半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示す図（その５）である。熱処理された半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示す図（その６）である。熱処理された半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示す図（その７）である。熱処理された半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示す図（その８）である。熱処理された半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示す図（その９）である。熱処理された半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示す図（その１０）である。熱処理された半導体ウェハのシート抵抗の面内分布を示す図（その１１）である。本発明の一実施形態の変形例による温度分布測定方法を示す工程断面図（その１）である。本発明の一実施形態の変形例による温度分布測定方法を示す工程断面図（その２）である。

符号の説明

１０…モニタ用半導体ウェハ
１２…不純物注入領域
１２ａ…不純物活性領域
１４…導電膜
１６…誘電体膜

Claims

モニタ用半導体ウェハの第１の面に、ドーパント不純物を導入する工程と、
前記第１の面の反対側の前記モニタ用半導体ウェハの第２の面に、導電膜を形成する工程と、
接触型の温度センサを用いて前記モニタ用半導体ウェハの一部における絶対的な温度を測定しながら、前記モニタ用半導体ウェハに対して熱処理を行う工程と、
前記モニタ用半導体ウェハの前記第１の面の各箇所におけるシート抵抗を測定する工程と、
測定により得られたシート抵抗と、予め求めていたシート抵抗と熱処理温度との関係と、前記温度センサにより測定された前記モニタ用半導体ウェハの前記一部における絶対的な温度とに基づいて、前記熱処理工程における前記モニタ用半導体ウェハの面内の絶対的な温度分布を求める工程と
を有することを特徴とする温度分布測定方法。
請求項１記載の温度分布測定方法において、
前記導電膜は、金属又は金属化合物より成る
ことを特徴とする温度分布測定方法。
請求項１又は２記載の温度分布測定方法において、
前記熱処理を行う工程では、加熱ランプにより、前記モニタ用半導体ウェハに対して熱処理を行う
ことを特徴とする温度分布測定方法。
モニタ用半導体ウェハの第１の面に、ドーパント不純物を導入する工程と、
前記第１の面の反対側の前記モニタ用半導体ウェハの第２の面に、導電膜を形成する工程と、
接触型の温度センサを用いて前記モニタ用半導体ウェハの一部における絶対的な温度を測定しながら、熱処理装置の加熱ランプ群により、前記モニタ用半導体ウェハに対して熱処理を行う工程と、
前記モニタ用半導体ウェハの前記第１の面の各箇所におけるシート抵抗を測定する工程と、
測定により得られたシート抵抗と、予め求めていたシート抵抗と熱処理温度との関係と、前記温度センサにより測定された前記モニタ用半導体ウェハの前記一部における絶対的な温度とに基づいて、前記熱処理工程における前記モニタ用半導体ウェハの面内の絶対的な温度分布を求める工程と、
前記モニタ用半導体ウェハの面内の温度分布が均一になるように、前記加熱ランプ群の各々の出力を調整する工程と
を有することを特徴とする熱処理装置の調整方法。