JP5064227B2 - シリコンウエハを熱処理するのに有用な低温型パイロメトリーのための方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、一般に、半導体の熱処理に関する。特に、本発明は、シリコンウエハの急速熱処理（ＲＴＰ）に関する。
急速熱処理（ＲＴＰ）は、とりわけ、アニーリング、ドーパント活性化、酸化及び窒化を含む幾つかのタイプの熱処理に適用される用語である。前述した処理は、典型的には、約１０００℃より上の比較的に高い温度で行われる。更に、それは、エッチング及び前駆体又はエッチングガスの存在下での化学気相堆積にも適用される。後者の処理は、従来では、５００℃と８００℃との間のいくらかより低い温度にてＲＴＰチャンバにおいて行われている。ＲＴＰは、典型的には、ランプヘッドにはめ込まれ処理すべき基板に向けられた高強度白熱ランプのアレイに依存している。それらのランプは、電気的に付勢され、非常にすばやくターンオン及びターンオフでき、それらの放射線の実質的な部分を基板へ向けることができるようになっている。その結果として、チャンバを実質的に加熱することなく、ウエハを、非常にすばやく加熱し、その後、ランプの電力を取り去ると、ほとんどすぐに冷却することができる。従って、所定の温度での処理時間をより厳密に制御でき、全熱履歴を減少させることができる。その上、全処理時間を減少させることができ、従って、スループットを増大させることができる。
図１は、ここに援用されるRanish氏等による米国特許第６，３７６，８０４号に開示されたＲＴＰリアクタ１０を例示する概略断面図である。このＲＴＰリアクタ１０は、おおよそ、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアル社から手に入る放射ＲＴＰリアクタの代表例である。このリアクタ１０は、処理チャンバ１２、このチャンバ１２内に設置されたウエハサポート１４及びチャンバ１２の上部に設置されたランプヘッド１６又は加熱源アセンブリを含んでおり、これらは、全て、中心軸１８の周りに大体対称的に配列されている。
処理チャンバは、本体２０及びこの本体２０に載置されたウインドウ２２を含む。ウインドウ２２は、赤外光に対して透明な材料、例えば、透明石英ガラスで作られている。
本体２０は、ステンレス鋼で作られており、石英（図示していない）で裏打ちしておくことができる。本体２０の底部近くに環状チャネル２４が形成されている。ウエハサポート１４は、チャネル２４内に設置された回転磁気ローター２６を含む。石英管状ライザー２８が磁気ローター２６上に載置又は他の仕方で結合され、シリコン被覆炭化珪素、不透明な炭化珪素又はグラファイトで形成されたエッジリング３０がライザー２８上に載置されている。処理中には、ウエハ又は他の基板がエッジリング３０上に載置されている。回転可能な磁気ステータ３４が、磁気ローター２４と軸整列させて本体２０の外部に設置され、本体２０を介して磁気ローター２６と磁気的に結合されている。例示していないモーターにより、中心軸１８の周りに磁気ステータ３４が回転させられ、それにより、磁気的に結合されたローター２６が回転させられ、従って、エッジリング３０及びそこに支持されたウエハ３２が回転させられる。３本または４本のリフトピン３６が、本体２０の底部壁を形成するリフレクタプレート３８に対してスライド可能なように封止されている。例示していない機構により、ウエハ３２に選択的に係合するように全てのリフトピン３６が上昇及び下降させられ、それにより、エッジリング３０に対して及びウエハ３２をチャンバ１２に出し入れするのに使用される例示していないパドルに対して、ウエハ３２が下降及び上昇させられるようにする。
石英ウインドウ２２は、本体２０の上方縁上に載置され、ウインドウ２２と本体２０との間に配置されたＯリング４０により、それらの間の気密シールが与えられている。ランプヘッド１６がウインドウ２２の上に設けられる。ウインドウ２２とランプヘッド１６との間に配置された別のＯリング４２により、それらの間の気密シールが与えられている。クランプ４４は、それらＯリング４０、４２と関連して、ランプヘッド１６を本体２０に対して密封する。
ランプヘッド１６は、電気ソケット４８によって支持され電気的に付勢される複数のランプ４６を含む。これらランプ４６は、好ましくは、臭素の如きハロゲンガスを含み石英バルブを清浄とする不活性ガスで希釈されたガスを満たされた石英バルブ内にタングステンフィラメントを有するタングステンハロゲンバルブの如き強い赤外光を放射する高強度白熱ランプである。各バルブは、比較的に多孔質であるセラミックポッティングコンパウンド５０で注封されている。ランプ４６は、リフレクタ体５４に形成された垂直配向円筒形ランプホール５２内に配置される。リフレクタ体５４のランプホール５２の開放端は、ウインドウ２２に隣接した位置にあり、それらランプ４６がウインドウ２２から離れている状態とされている。
リフレクタ体５４内には、ランプホール５２の各々を取り囲むようにして液体冷却チャネル５６が形成されている。入口６０を通して冷却チャネル５６に導入され出口６２を通して排出される水の如き冷却材により、リフレクタ体５４が冷却され、そのランプホール５２に隣接して流れる冷却材により、ランプ４６が冷却される。
７つ又はそれ以上のパイロメータ（pyrometer）７０の如き熱センサが、サファイアロッドの如き光パイプ７２によって各開口７４に光学的に結合されている。それら各開口は、リフレクタプレート３８を貫通して形成され且つその半径を横切って離間配設されている。典型的には、剛性サファイア光パイプ７２及びパイロメータは、本体２０に支持されているが、中間の可撓性光ファイバ又は光ガイドを設けることもできる。パイロメータ７０は、Peuse氏等の米国特許第５，７５５，５１１号に開示されているように、ウエハ３２及びエッジリング３２の下方面の異なる半径部分の温度又はその他の熱特性を検出する。ここにそのまま援用されるAdams氏等の米国特許第６，４０６，１７９号には、このようなパイロメータについて開示されている。パイロメータ７０は、より特定すると、放射型パイロメータであり、９５０ｎｍより短い波長、すなわち、約１．１ｅＶ（１．１μｍ）のシリコンバンドギャップより幾らか上の光子エネルギー、別の表現でいうとシリコンウエハのバンドギャップ波長より下の光子波長において、約２０ｎｍの通過帯域を有する光学的狭帯域フィルタを含む。このようなフィルタは、多層干渉フィルタとして容易に形成される。こうして、シリコンウエハ３２は、ランプ４６から放射されるより短い波長の可視放射線を吸収し、パイロメータ７０は、ランプ４６からの放射線でなく、ウエハ３２から放射される黒体放射線に感応する。
パイロメータ７０は、ランプ電力供給コントローラ７６へ温度信号を供給する。そのランプ電力供給コントローラ７６は、その測定温度に応答して赤外線ランプ４６へ供給される電力を制御する。この赤外線ランプ４６は、熱エッジ効果を斟酌してより調整された半径方向熱プロファイルを与えるように、半径方向に配列されたゾーン、例えば、１５のゾーンに分けて制御することができる。パイロメータ７０は、また、ウエハ３２を横切る温度プロファイルを示す信号を電力供給コントローラ７６へ与え、電力供給コントローラ７６は、その測定温度に応答して赤外線ランプ４６のゾーンの各々へ供給される電力を制御し、閉ループ熱制御を行う。
処理チャンバ１２の本体２０は、処理ガス入口ポート８０及びガス出口ポート８２を含む。使用において、処理チャンバ１２内の圧力は、入口ポート８０を通して処理ガスを導入する前に、大気圧より低い圧力まで減ぜられる。真空ポンプ８４により、ポート８６及び弁８８を通してポンピングすることで処理チャンバ１２は排気される。その圧力は、典型的には、約１トルと１６０トルとの間まで減ぜられる。しかしながら、特定の処理については、しばしば、特定のガスの存在下においてであるが、大気圧にて行われ、このような処理の場合には、処理チャンバは、排気する必要はない。
特に、処理チャンバが石英ウインドウ２２を横切る方向において差圧を与えるように減じた圧力へと排気されるときには、第２の真空ポンプ９０により、ランプヘッド１６内の圧力が減ぜられる。この第２の真空ポンプ９０は、弁９４を含むポート９２を通してポンピングすることにより、ランプヘッド１６内の圧力を減ずる。ポート９２は、ランプホール５２を含むリアクタ体５４の内部空間と流体連通している。
ヘリウムの如き熱伝導性ガスの加圧源９８により、ランプ４６と液体冷却チャネル５６との間の熱移送を容易とするため、ランプヘッド１６に熱伝導性ガスが充填される。このヘリウム源９８は、弁１００及びポート１０２を通してランプヘッド１６に接続される。熱伝導性ガスは、ランプヘッドカバー１０６と各ランプ４６のベースとの間に形成されたガスマニホールド１０４へ導入される。弁１００を開くことにより、ガスがマニホールド１０４へと流される。ランプポッティングコンパウンド５０は比較的に多孔質であるので、熱伝導性ガスは、そのポッティングコンパウンド５０を通して流れ且つランプ４６の壁部とランプホール５２との間のギャップを通して流れて、ランプ４６を冷却する。
しかしながら、前述したＲＴＰチャンバは、より低い温度で使用する場合において幾つかの欠点をこうむる。シリコンＲＴＰのために使用される典型的な放射型パイロメータは、熱体から放射されるプランクの放射スペクトルの通常の狭帯域幅の強度を検出して、その検出された強度からその熱体の温度を決定するシリコンフォトダイオード検出器を含む。しかしながら、パイロメトリー（pyrometry）は、一般的に、高い温度、例えば、５００又は８００℃より高い温度を測定するのに使用される。チャンバの部分が比較的に熱く、放射バルブからの光漏洩のあるようなＲＴＰリアクタの構成においては、従来のパイロメトリーは、約４５０℃より低いウエハ温度では比較的に有効なものではない。３５０℃の物体に対して露光させられる従来のパイロメータの光電流は、０．８ｐＡの付近にあり、このレベルは、典型的なＲＴＰ環境における熱及び電子ノイズによって容易に埋没させられてしまうものである。その上、ウエハは、これらの温度では部分的に透過性であり、チャンバは耐光性でない。コールドウエハーの存在下にて白熱ランプがターンオンされた後すぐに、パイロメータは、すぐに、直接的及び間接的ランプ放射線により約３５０℃を記録することが観測されている。
ＲＴＰの場合、少なくとも２つの状況において、ウエハ温度の低温度制御が行われる。高温度ＲＴＰにおいては、より高いウエハ温度は、前述したように、約４５０℃より高い温度でのみ有効な放射型パイロメータを使用した閉ループ制御システムによって、非常に微細に制御される。しかしながら、この温度に達するためには、ウエハは、先ず、電流の所定量が放射ランプへ供給される開ループ制御システムの下で加熱されなければならない。温度が放射型パイロメータのための検出下限に達したことをそのパイロメータが検出するとき、熱制御は、閉ループシステムへと切り替えられる。開ループ期間中の予熱は、典型的にはスイッチオフ状態を越えては厳密には監視されていない。その結果として、温度勾配又は過剰加熱割合が生じてしまう。ウエハは、予熱中にドーム形状又はポテトチップ形状へと奇形化されてしまい、これでは、より高い温度での有効なＲＴＰが行えなくなってしまう。従って、均一な予熱を達成するためには、予熱状態、特に、ゾーン予熱の分布を厳密に最適化することが必要とされている。このような予熱の最適化のためには、従来では、反り又はその他の有害な結果となるのを避ける予熱処方を確立するため当業者が非常に多数のウエハを用いて実験する必要があった。しかしながら、その最適化処方は、ウエハに既に確立された特徴に強く依存している。非常に長い連続生産の場合を除いて、各チップデザインの各レベルに対して最適化するのは実行不可能である。その代わりに、所定のタイプの物質、例えば、金属又は酸化物のトップ層を有する幾つかの種類のパターン化されていない生地ウエハに対して最適化が行われているのである。生産においては、同様のトップ層に対する予熱処方が選択されている。一般的に、このような方法では、満足でないと判明しており、予熱割合が特定されたものとならず、また、その他の均一性についても更なる調整が必要なものとなってしまっていた。
例えば、次世代の集積回路のために考えられるニッケル、コバルト又はケイ化チタンのコンタクトにおいて、５００℃より低い温度、また２５０℃より低く室温近くまでの温度でも、ＲＴＰを行う必要が生じてきている。従来の放射型パイロメトリーを、比較的に低い熱処理温度を必要とするこれらの新型処理に適用するのが便利であろう。低温壁及び低温放射型パイロメータを有する自動低温度ＲＴＰチャンバを設計することが考えられるが、市販されている高温度ＲＴＰチャンバを低温度処理のために適応させる方がより望ましい。更に又、異なる処理ステップのために同じチャンバを使用できるように、低温度処理及び高温度処理の両方に使用できるＲＴＰチャンバを提供することが望まれる。
ここに援用されるHunter氏等の米国特許第６，１５１，４４６号には、ウエハをエッジリング上に降ろす前にそのウエハの温度が室温に達したことを全体として指示するに十分な光電流をリフトピンに支持されたウエハが光検出器に誘起させるときを、決定するのに有用な透過型パイロメータが開示されている。この透過型パイロメータは、シリコンバンドギャップの近くの帯域内にて有効なある種のフィルタリングを含む。シリコンウエハが温められるにつれて、そのバンドギャップエネルギーは減少していく（波長が増大していく）。この透過型パイロメータは、通常低い強度に保たれる放射加熱ランプからの、シリコンウエハによってフィルタリングされるような放射線を検出しようとしているものである。シリコンバンドギャップがその検出器の帯域幅に入ったり出たりするときに、その検出器信号は相当に変化し、それにより、シリコンウエハの温度の指示が与えられる。このHunter氏の透過型パイロメータは、ウエハを温かいエッジリング上に降ろすに安全なときを決定するため、チャンバのリフトピン内に組み込まれている。このHunter氏のものではランプ電力のある種のフィードバック制御を行っているが、ウエハ温度をより厳密に微細に制御することが望まれる。
本発明の１つの態様は、急速熱処理チャンバにおいて５００℃より低いシリコンウエハの温度、更に又、２５０℃よりも低いシリコンウエハの温度をも測定するため透過型パイロメータを使用することを含む。透過型パイロメータは、放射加熱ランプからの、シリコンウエハによってフィルタリングされた光学的放射線を検出する。ある波長帯域におけるシリコンの吸収は、ウエハ温度に強く依存している。この温度測定は、そのような温度以下での熱処理のために使用でき、また、放射型パイロメータがウエハ温度、例えば、４００℃から５００℃までの温度を測定できるような点までの予熱を制御するのに使用できる。そのような温度より高い温度では、その加熱は、放射型パイロメータを使用する閉ループによって制御される。
約３５０℃より低い温度で有用な低温透過型パイロメータは、１μｍと１．２μｍとの間の波長帯域においてあまり又は全くフィルタリングを有していないシリコンフォトダイオードでもって実施することができる。５００℃までに亘る波長範囲において有用な透過型パイロメータは、ＩｎＧａＡｓダイオード光検出器及び約１．２μｍより上の放射線を阻止するフィルタを含む。放射型及び透過方パイロメータは、光パイプ又はその他の光学的光ガイドからの放射線を受けその放射線を透過型パイロメータ及び放射型パイロメータのフィルタに向けられる個々のビームへと分割する光学的スプリッタを含む構造体と一体とすることができる。
透過型パイロメトリーは、放射加熱ランプへ供給される電力又はそれらの他の電気的特性、ウエハ温度、及び透過型パイロメータの光電流に関するような一般的特性を知ることにより、効果的に行われる。これら特性をコンパイルする１つの方法によれば、その光電流を、ランプ及び検出器特性から定数内で算出することができる。二次元テーブルに、ウエハ及びランプ温度の関数として正規化されていない光電流を入れておくことができ、また、既知の特性を検索する他の方法を使用することもできる。ウエハの既知の温度で光電流を初期的に測定しておくことにより、テーブルデータを処理すべきウエハに対して正規化しておくことができる。その後、パイロメータの光電流が既知のランプ温度又は抵抗にて測定されるとき、そのテーブルを参照して、その対応するウエハ温度を得ることができる。
単一ハウジングに一体的二重パイロメータを形成することができ、この二重パイロメータは、透過型パイロメータ及び放射型パイロメータの両者を含む。単一光ガイドは、ウエハの裏側の光を供給する。ビームスプリッタは、受け取った光をその２つのパイロメータへと分割する。そのハウジングは、ＲＴＰリフレクタプレート上に支持させることができる。
本発明の急速熱処理（ＲＴＰ）チャンバ１１０の１つの実施形態を、図２の断面図に概略的に例示している。このＲＴＰチャンバ１１０は、少なくとも１つの透過型パイロメータ１１２を含む。本発明の幾つかの態様として、透過型パイロメータのみを使用するものがありうるが、本発明のチャンバ１１０は、付加的に１つ又はそれ以上の放射型パイロメータ７０を含むのが効果的である。これら２つのパイロメータ７０、１１２は、光パイプ７２からの光学的放射線を受け取る単一システムとして含むことができ、光学的スプリッタ１１４により、受け取った放射線をそれら２つのパイロメータ７０、１１２の間に分割する。前述したように、放射型パイロメータ７０は、サブミクロンの波長の、すなわち、シリコンバンドギャップより大きいエネルギーを有する光子を通過させる狭帯域フィルタを含む。従って、この放射型パイロメータ７０は、シリコンウエハ３２がランプ４６からのより短い波長の光を阻止するので、ウエハ３２の裏側の黒体放射温度を測定するのに有効である。一方、透過型パイロメータ１１２は、より長い波長の光、特に、問題のウエハ温度でのシリコンバンドギャップの近くの、又はそれより幾分長い光に感応する。
均一なウエハを通過する特定の波長の光学的放射線に対する透過率又は透過係数τは、次の式によって与えられる。
τ（α，χ）＝ｅ−α・χ （１）
ここで、αは、吸収係数であり、χは、ウエハの厚さである。バンドギャップ近くのシリコンの吸収係数は、室温（２０℃）及び２００℃に対して、図３のグラフに示されるように、既知温度依存性を有している。それらの急に傾斜している部分は、熱的に活性化された自由キャリア及びフォノン寄与度の熱変化の両者に依存している光学的バンドギャップの吸収エッジと関連づけられている。その吸収エッジは、波長の増大につれてより長い波長（より小さい光子エネルギー）へシフトする。
ここで、αは、吸収係数であり、χは、ウエハの厚さである。バンドギャップ近くのシリコンの吸収係数は、室温（２０℃）及び２００℃に対して、図３のグラフに示されるように、既知温度依存性を有している。それらの急に傾斜している部分は、熱的に活性化された自由キャリア及びフォノン寄与度の熱変化の両者に依存している光学的バンドギャップの吸収エッジと関連づけられている。その吸収エッジは、波長の増大につれてより長い波長（より小さい光子エネルギー）へシフトする。
透過型パイロメータに必要とされるスペクトルフィルタリングは、放射型パイロメータに必要とされものとは異なっている。透過型パイロメータフィルタ及び光検出器は、一緒になって、問題のウエハ温度で吸収ギャップの波長に感応するために必要であるスペクトル応答を与える。この要件は、透過型パイロメータが２５０℃より低い低温度のみを測定する必要があるか、又は、４５０℃までの温度及びそれより幾分高い温度を測定する必要があるか、に従って変化する。しかしながら、妥当な信号対雑音比を維持するためには、黒体放射スペクトルの限定された帯域幅のみを検出すべきである。
光学的フィルタリングを有していないシリコン光検出器は、約２５０℃又は３５０℃より低い温度にてこの機能を果たすことができる。シリコン光検出器は、約１．１μｍより長い波長を有する放射線に感応する。ウエハ吸収エッジは、ウエハが室温から３５０℃もちしい加熱されるに従って、１μｍから１．２μｍへ向かって上昇していく。従って、正味効果は、幾分狭い通過帯域である。しかしながら、約３５０℃より高いウエハ温度では、吸収エッジは、シリコン光検出器の検出限界を超えてしまい、吸収エッジ波長の更なる増大を容易には検出できなくなってしまう。従って、より高いウエハ温度での動作のためには、より長い波長に感応する光検出器を使用することが望まれる。このような検出器の一例は、約０．９μｍと１．７μｍとの間の検出帯域を有するＩｎＧａＡｓダイオード光検出器である。１．７μｍまでのこのような大きな寄与度を避けるため、このＩｎＧａＡｓは、１．２μｍ又は１．３μｍより短い波長を通過させる低域フィルタと共に使用されるべきである。この低域フィルタは、透過型パイロメータによって測定される最も高い温度でシリコンウエハのバンドギャップ波長より短い波長を有する放射線のほとんどを通過させるが、このバンドギャップ波長より長いプランクの放射スペクトルのほとんどを遮断する。また、このフィルタは、約１μｍ又は１．１μｍの放射線を遮断する帯域通過フィルタでもよい。
動作の態様について、図４のグラフに関連して説明する。線１２６は、ランプ電流の１つの設定に対してのウエハ温度の関数として透過型パイロメータからの全光電流を表している。より低い温度では、その全光電流は、主として、温かいランプからのウエハを通過した光子束から生ずる光電流である。しかしながら、線１３０によって表されるように、一定の波形放射線、例えば、散乱放射線及びウエハチャンバ部分がある。より高い温度では、線１３２によって表されるように、ウエハ自体の黒体放射による寄与度が増大する。ランプ寄与度とウエハ黒体寄与度とのクロスオーバーは、放射型パイロメータが有効となる領域の下方端近くである約４００℃の温度で生ずる。
本発明の１つの態様は、パイロメータ特性と称されるような、ランプ電流及びウエハ温度に対する透過型パイロメータ光電流の既知の依存性に基づくものである。生産ウエハのウエハ厚さは、厳密に、例えば、３００ｍｍウエハの場合において０．７５±０．０２ｍｍに制御され、従って、既知の量であると推定される。ウエハの制御可能な加熱のための基本的アルゴリズムを、図５の処理フロー図に例示している。ステップ１３６において、既知の温度のウエハが、ＲＴＰチャンバ内に挿入され、ステップ１３８において、ランプが設定低電流、例えば、最終ランプ電流の約２０％で付勢される。ステップ１４０において、透過型パイロメータからの光電流は、ウエハがランプ放射にて相当に温められる時間を経過する前に測定される。この測定は、ランプ電流及びウエハ温度の既知の値でもって行われ、既知の特性を適切に正規化することができる。
ステップ１４２において、光電流対ランプ及びウエハ温度の既知ではあるが正規化されていない特性が正規化される。これは、多くの仕方にて行うことができるが、最も容易な手順は、光検出器の光電流出力に換算係数を適用して、測定された光電流を初期ウエハ及びランプ温度での正規化されていない光電流特性の値と整合させるようにすることである。その後、全ての測定光電流値を換算する。
ウエハの初期温度を確立するには、種々異なる手順がある。挿入されてくるウエハは、そのウエハをロードしてくる移送チャンバの周囲温度、例えば、２５℃にある。しかしながら、ウエハは、ランプがターンオンされた後に温度特性決定ステップが開始され、１５％ランプ電力のために約８秒かかるプロセス中に、加熱され、温度増大はウエハのタイプによっているのであるが、約１０℃のエラーを生ずることがある。特性決定ステップ中の温度増大は、ランプがターンオンされた後のランプ強度を測定しその強度プロファイルに対する所定のウエハの熱応答をモデリングすることによって達成される。そのモデリングに対しては、４０℃の初期温度とすることができる。所定のランプ電力及びその結果生ずる強度プロファイルに対してウエハがどれくらい加熱されるかを知るとき、ウエハ温度を、特性決定期間の終わるまでに正確に測定することができ、その後のパイロメトリーのための正確な初期ウエハ温度を与えることができる。
その後、ステップ１４４において、ランプ電流は、少なくとも初期予熱値まで上昇させられる。その後、ステップ１４６において、透過型パイロメータからの光電流が、同じウエハ及び上昇ランプ電流について測定される。ステップ１４８において、ウエハ温度が、測定光電流及び正規化特性から決定される。ある最終予熱ウエハ温度に達したことがステップ１５０にて決定されるまで、ステップ１４６、１４８が繰り返される。
必要とされるランプ及びウエハ特性は、多くの仕方で確立することができる。ランプ電流及びウエハ温度、及びある場合にはウエハ厚さの非常に多くの組合せについてパイロメータ光電流を測定して、その後に光電流をウエハ温度に関連付けるのにそれらの実験測定値を使用することが可能である。この場合にも、ウエハの変動、異なるランプを含むチャンバ条件の変化等を考慮するため正規化するのが望ましいと考えられる。
好ましい方法は、ランプの電気的測定値に対する光電流の依存性及びシリコンウエハの透過率及び光検出器の温度依存性を明確に完全に理解することによるものである。透過型パイロメータの場合の光電流ＩＰＤは、ウエハ温度ＴＷ及びランプ温度ＴＬに主として依存しており、次の式にて表すことができる。
ここで、λ１及びλ２は、０．８μｍから１．７μｍまでに亘る光検出器の応答性のスペクトル限界を示す積分の範囲であり、Ｒ（λ）は、使用される任意のフィルタを含む光検出器の応答関数であり、Ｌ（λ，ＴＬ）は、ランプ温度ＴＬでのランプの放射強度スペクトルであり、Ωは、背景放射線の差、ウエハの上面の反射率、透過チャネルの形態係数及びランプ放射強度の差を考慮した正規化係数である。ウエハの上面の反射率を適切に正規化することにより、異なる水平及び垂直構造を有する異なる型のウエハを、各型の構造についてＲＴＰ予熱の正規化を別々にすることなく、処理することができる。その代わりに、単一の正規化測定により、主として上面反射率に影響を及ぼすこのような差異を大部分斟酌することができる。
ランプ放射強度Ｌは、ランプフィラメントにおいて消費される電力の関数であり、従って、ランプの温度ＴＬ、フィラメントに使用された材料の放射率εＬ（λ，ＴＬ）及びランプフィラメントのコイリングによる放射率への補正係数δ（λ，ＴＬ）の関数である。ランプ温度ＴＬは、次の式によって与えられるタングステンフィラメントに対する実験式から決定することができる。
ここで、ａは、ある種のランプによって放射される放射線に対するスペクトル測定によって決定される定数であり、ＲＬは、瞬時印加電圧及びランプのためのＳＣＲ駆動装置からの電流フィードバックによって決定されるランプフィラメントの抵抗である。フィラメント温度を知れば、ランプの放射強度は、次の式から計算できる。
Ｌ（λ，ＴＬ）＝ＬＢＢ（λ，ＴＬ）ε（λ，ＴＬ）δ（λ，ＴＬ） （４）
ここで、ＬＢＢは、温度ＴＬの表面からのプランクの黒体放射スペクトルである。
ここで、ＬＢＢは、温度ＴＬの表面からのプランクの黒体放射スペクトルである。
ここで、ｃ１及びｃ２は、３．７４２×１０−１６Ｗｍ２及び０．１４３９ｍＫの各値を有するよく知られた放射定数である。タングステンの放射率は、温度及び波長の両者の関数としてよく知られている。コイリング及び補正係数δは、ランプの種類毎に計算され、又は別に測定される必要がある。
温度ＴＷでの厚さχを有するシリコンウエハの透過率τは、次の式により与えられる。
ここで、αは、波長λ及び温度ＴＷでのシリコンの吸収係数である。この吸収係数は、”Emissivity of silicon at elevated temperatures”, Journal of AppliedPhysics, vol 74, no.10, 15 November 1993, pp.6353-6364 においてTimans氏によって説明されているモデルから計算することができる。このTimans氏のモデルは、フォノン及び自由キャリアによる吸収を考慮しており、軽くドープされたシリコンの測定吸収率と良く一致する。このTimans氏の文献は、パイロメトリーの概論としても価値がある。
測定光電流に基づいてウエハ温度を見出すように式（２）の積分を転換するような十分な式を見つけ出すことは、計算上骨の折れることであり、実時間調整で実施するのは困難である。その代わりに、ルックアップテーブルを編纂するのが好ましい。例えば、二次元テーブルが、一方の軸をランプフィラメント温度ＴＬとし、他方の軸をウエハ温度ＴＷとして、作られる。光電流の計算され正規化されていない値が、そのテーブルの各セルを占める。
既知のウエハ温度ＴＷ及び電気的に測定されたランプフィラメント温度ＴＬでの初期光電流測定は、テーブルにおける正規化されていない計算された光電流値を測定光電流と相関させ、従って、全テーブルに対して正規化定数Ωを決定することができる。テーブルの全てのエントリーを正規化することはできるが、その代わりに、光検出器の出力での全ての測定光電流を、ここで知られた正規化定数で換算するのが好ましい。
校正ステップの後のウエハの処理中に、透過型パイロメータからの光電流は、式（３）にてランプ温度を与えるランプ電力供給の電流及び電圧の既知の電気測定で測定される。それから、ルックアップテーブルを参照して、既知のランプ温度で測定され換算された光電流をウエハ温度に相関させる。テーブルの光電流の間、また、必要ならばランプ温度の間で補間を行うことができる。光電流対ランプ及びウエハ温度の特性を記憶させ検索するような他の方法を利用することもできる。テーブルの各列は、所定のランプ温度について光電流をウエハ温度に関連付ける多項式、冪級数の係数又はその他の数学的関数によって表すことができる。このような数学的関数は、実時間ベースにて容易に計算される。別の仕方として、全テーブルを、２変数冪級数へ変換することができる。望むならば、多項式又は冪級数は、光電流を１つの変数とし、ウエハ温度を多項式の値とすることができる。
本発明は、シリコンフォトダイオードをウエハの裏側を介してランプの１つに対向させ、狭い視野とし、シリコンフォトダイオード応答のほぼ１μｍの下限を越えた付加的フィルタリングをせず、吸収エッジが問題の温度で約１．２μｍより下である状態で確証された。別の従来の放射型パイロメータは、ウエハの同じ全体領域に対向させるが、フィルタを有し、より広い視野とした。更に、確証テスト中にウエハの真の温度を測定するため、ベアウエハに熱電対を埋め込んだ。その結果を図６のグラフに示している。この図６のグラフは、異なる方法によって決定された温度を、ランプがターンオンされた後の時間の関数として示している。線１５４は、熱電対によって測定された温度を示している。線１５６は、本発明の透過型パイロメータにより前述したようなルックアップテーブルに関連させて演算することで決定されたウエハ温度を示している。線１５８は、従来の放射型パイロメータによって決定された温度を示している。全ての温度で、透過型パイロメータは、熱電対による温度に比較的に近い温度として測定している。約３００℃よりも低い温度では、従来の放射型パイロメータは、ウエハ温度を正確に測定していないが、それより高い温度では、その性能は十分である。更に図４に示されるように、この設計の透過型パイロメータは、約３５０℃又は４００℃より上でフラットな応答を有している。従って、約３５０℃の移行温度より低い温度では透過型パイロメータに頼り、それより高い温度では放射型パイロメータに頼るのが望ましい。しかしながら、その移行温度は、それら２つのパイロメータの設計に依存して変化するのであるが、本発明の設計では、移行温度は、３００℃と４００℃との間となることが示されている。
本発明を適用できる少なくとも２つの処理、即ち、ほぼ室温でのパイロメトリー及び予熱と称される開ループ調整がある。本発明によるほぼ室温でのパイロメトリーは、より高い温度での放射型パイロメータで使用されるのと同様のアーキテクチャーにおいて熱制御システムのフィードバックループ内に複数の半径方向に配列された透過型パイロメータを使用するのが好ましい。そうすることにより、幾つかの高度の集積回路構成で考えられているように、２５０℃より低い温度で正確な熱制御が可能となる。このような低温度の動作のためには、光検出器及びフィルタをよりそのより長い波長に対してより適当なもの、例えば、ＩｎＧａＡｓ光検出器及び干渉フィルタとするのが望ましい。何故ならば、前述したシリコンフォトダイオードは、約３００℃よりも高いウエハ温度では性能が悪いからである。前述したように、ＲＴＰチャンバは、全てのウエハ温度で熱フィードバック制御が可能で低温度処理及び高温度処理の両方を行うことのできる能力を有するのが望ましい。
低温型パイロメトリーの場合には、加熱ランプとは別の透過放射線のための光源を設けることが望ましい。この光源は、レーザー又はＬＥＤでもありうるが、別個の低強度の白熱バルブであると、より良い長期間安定性が得られるものと考えられる。
本発明は、また、放射型パイロメータを関わらせることなく予熱相（開ループ調整とも称される）をより厳密に制御するために、標準の高温度ＲＴＰに関連して適用することもできる。単純な予熱処理を、図７のフロー図に例示している。既知の温度のウエハをＲＴＰリアクタ内へ挿入した後、ステップ１７０において、透過型パイロメータが、システムの特性を記憶するルックアップテーブル又は他の方法について正規化係数を確立させることによって、校正される。ステップ１７２において、ＲＴＰランプが、所定の低電力レベル、例えば、１０°Ｃ/sより低い比較的に遅い加熱割合とする全高温度レベルの１５％に設定される。ステップ１７４において、校正された透過型パイロメータは、ランプがそれらの低電力レベルに設定された後、少なくとも２回ウエハ温度を測定し、それにより、それら２回の測定の間の間隔中にウエハが加熱される温度の初期傾斜率を測定する。ステップ１７６において、電力供給コントローラは、その温度傾斜率を初期測定値から所望の温度傾斜率へと変えられ調整ランプ電力レベルを計算する。その所望の温度傾斜率は、１０°Ｃ/sから２０°Ｃ/sの範囲内の設定値でありうる。その後、その予熱は、ステップ１７８にて、ウエハ温度が移行温度に達したことが決定されるまで、続けられる。その移行温度に達するとき、ステップ１８０において、その制御は、従来の高温度ＲＴＰ制御システムにて行われるような主として放射型パイロメータに基づくような閉ループ制御へと切り替えられる。
初期傾斜率の調整後の予熱は、多くの仕方にて行うことができる。この予熱は、ランプ電力が再調整されて以後の経過時間に単に基づくようなものとすることができる。移行温度に達したときを検出するのに、透過型パイロメータ又は放射型パイロメータのどちらをも使用できる。両パイロメータとも、典型的には、そのような移行温度に感応しうるものである。より厳密な制御の場合でも、予熱中に所望の温度傾斜率を維持するようにランプ電流を動的に調整するため、予熱相のための閉ループ制御システムにおいて透過型パイロメータを使用することができる。更に又、予熱相の種々な部分に対して所望の傾斜率を調整することが可能である。
単一の透過型パイロメータとし１つのみランプ電力設定をする場合について、主として前述してきたのであるが、複数の透過型パイロメータを異なる半径位置に配置しある差動的ゾーン加熱を使用すると、精度を改善することができる。例えば、１つの透過型パイロメータをウエハ中心近くに向け、第２の透過型パイロメータをウエハからエッジリングへの遷移部近くに向け、第３の透過型パイロメータをエッジリングにのみ向けるようにすることができる。このとき、ランプは、予熱のために少なくとも３つの同様なゾーンへと分割される。図７の初期傾斜率調整において、３つの初期温度傾斜率が、それらの３つの透過型パイロメータから測定される。それから、異なる加熱ゾーンにおけるランプは、多分、狭い中間ゾーンにおいてある補間をして、典型的には、共通の所望傾斜率を得るように別々に再調整される。
本発明の透過型パイロメータは、ウエハがリフトピンによって支持されている間に、そのウエハをエッジリングの温度、例えば、約２００℃まで温める初期予熱に対しても有用である。ウエハがその温度に達したとき、リフトピンによりそのウエハがエッジリング上に下降させられ、それから、エッジリングが回転し始める。放射型パイロメータは、特に、支持されたウエハの周りのランプからその下のパイロメータへの光漏洩が相当にあるので、このような態様ではほとんど役に立たない。Hunter氏の前述した透過型パイロメータは、同様の機能を果たすために使用されていたのであるが、それらは、リフトピンに埋め込まれており、従って、２００℃より高い予熱温度を監視するのには容易には利用できないものであった。
リフレクタプレートの異なる開口に結合される別々の放射型パイロメータ及び透過型パイロメータを設けることができる。しかしながら、放射型パイロメータフィルタの前に傾斜部分リフレクタを含めるようにAdams氏等の放射型パイロメータを変更することにより、それら２つのパイロメータを統合すると好都合である。その反射された放射線は、フィルタリングされないシリコン光検出器へ向けられ、従って、それは、透過型パイロメータとして作用する。
図８の断面図に例示される二重パイロメータ１９０の一実施例は、Adams氏等から適応されたものであり、その詳細及び他の実施形態についてはそれらを参照されたい。サファイア光パイプ１９２及び金属スリーブ１９４は、ＲＴＰリフレクタプレートの底部にパイロメータ１９０を支持している。このパイロメータは、ハウジング１９６の内側に形成されている。そのハウジング１９６は、コリメータ１９８を収容している。このコリメータ１９８は、光パイプ放射線を、典型的には、多層干渉フィルタからなる狭帯域フィルタ２００へと視準させるように、その光パイプ１９２の出力側に隣接したコリメータ１９８の軸方向開口１９９から半径方向外側へ広がる反射性内側壁２０２を有している。その狭帯域フィルタ２００は、ハウジング１９６に支持されており、放射型パイロメータと関連付けられている。しかしながら、可調整金メッキピン２０４が、コリメータ壁２０２から突出しており、このピン２０４は、傾斜反射面２０６を有しており、この傾斜反射面２０６は、ビームスプリッタとして作用し、光パイプ１９２からの放射線の部分を、コリメータ１９８の開口２１０を通してその反射面２０６面する光検出器２０８の方へと指向する。光検出器２０８は、シリコンフォトダイオードでよく、この場合には、それ単独でより低いウエハ温度に対して透過型パイロメータとして作用できる。しかしながら、幾分より高いウエハ温度に対しては、この光検出器２０８は、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードの如きより長い波長応答を有し、この場合には、この光検出器２０８とビームスプリッタ２０６との間に、例示していない別の透過型パイロメータを介在させる。
放射線の他の部分は、ビームスプリッタ２０６を通過してコンセントレータ２１２の広い端部に入る前に放射型パイロメータフィルタ２００によって濾波される（フィルタにかけられる）。コンセントレータ２１２は、濾波された放射線を、このコンセントレータ２１２の端部の狭い軸開口２１６を通して露出された第２の光検出器２１４の方へ向けて集中させるようにする内側にテーパーを付けられた反射壁２１４を有している。この光検出器２１４は、放射型パイロメータを完成するものであり、典型的には、シリコンフォトダイオードとして実施される。これら２つの光検出器２０８、２１４からの別々の電気リードは、光検出器電力源及びランプ電力供給コントローラへ接続され、それら２つのパイロメータ光電流が供給される。
前述した構成は、ＲＴＰリフレクタプレート及びその開口及び光パイプについて既存のデザインを効果的に利用するものである。その他の構成及びその他のタイプのビームスプリッタを使用することもできる。波長選択性ビームスプリッタを使用すると、感度を改善することができる。
かくして、本発明によれば、低温度での実効熱処理を含もうが、又は、放射型パイロメトリーが従来使用されるようなより高い温度とする必要のある予熱を含もうが、ＲＴＰ処理のより良い低温度制御を行うことができる。高温度ＲＴＰチャンバの既存のデザインに対して透過型パイロメータを容易に且つ経済的に組み込むことができ、それらの動作の温度範囲を広げ、予熱相をより厳密に制御することができる。
１０…ＲＴＰチャンバ、１２…処理チャンバ、１４…ウエハサポート、１６…ランプヘッド、１８…中心軸、２０…本体、２２…石英ウインドウ、２４…環状チャネル、２６…回転磁気ローター、２８…石英管状ライザー、３０…エッジリング、３２…ウエハ、３４…磁気ステータ、３６…リフトピン、３８…リフレクタプレート、４０、４２…Ｏリング、４４…クランプ、４６…ランプ、４８…電気ソケット、５０…セラミックポッティングコンパウンド、５２…ランプホール、５４…リフレクタ本体、５６…液体冷却チャネル、６０…入口、６２…出口、７０…放射型パイロメータ、７２…光パイプ、７４…開口、７６…ランプ電力供給コントローラ、８０…処理ガス入口ポート、８２…ガス出口ポート、８４…真空ポンプ、８６…ポート、８８…弁、９０…真空ポンプ、９２…ポート、９４…弁、９８…加圧源、１００…弁、１０２…ポート、１０４…マニホールド、１０６…ランプヘッドカバー、１１０…急速熱処理（ＲＴＰ）チャンバ、１１２…透過型パイロメータ、１１４…光学的スプリッタ、１９０…二重パイロメータ、１９２…サファイア光パイプ、１９４…金属スリーブ、１９６…ハウジング、１９８…コリメータ、２００…狭帯域フィルタ、２０２…反射性内側壁、２０４…可調整金メッキピン、２０６…傾斜反射面（ビームスプリッタ）、２０８…光検出器、２１０…開口、２１２…コンセントレータ、２１４…光検出器、２１６…狭い軸開口
Claims (7)
- 制御可能な放射加熱源と、
前記放射加熱源と対向してシリコン基板を上に支持するように構成された支持部材と、
前記シリコン基板が上に支持されている間に前記シリコン基板を介して前記放射加熱源と反対側に配設され、前記支持部材から隔離された少なくとも１つの透過型パイロメータであって、前記放射加熱源から１．２ミクロン未満の波長を有する放射線を検出し、前記シリコン基板の５００℃未満の温度を検出できるように構成された少なくとも１つの透過型パイロメータと、
前記少なくとも１つの透過型パイロメータの出力に応答して前記放射加熱源に分配される電力の量を制御する電力供給制御システムと、
を備える熱処理システム。 - 前記少なくとも１つの透過型パイロメータは、前記シリコン基板の温度を測定するように構成されている、請求項１に記載の熱処理システム。
- 複数の前記透過型パイロメータが前記シリコン基板の中心に対して異なる半径位置に配設されている、請求項１及び２のいずれかに記載の熱処理システム。
- 前記電力供給制御システムは、
前記シリコン基板の温度の複数の値及び前記放射加熱源におけるランプのフィラメントの温度を表す変数の複数の値について前記透過型パイロメータによって発生される光電流に関する正規化されていない特性を記憶したメモリと、
前記フィラメントの設定温度及び前記シリコン基板の既知の温度について前記透過型パイロメータからの正規化光電流を測定するための手段と、
前記測定された正規化光電流に従って前記記憶された正規化されていない特性を正規化するための手段と、
を含む請求項１及び２のいずれかに記載の熱処理システム。 - 前記メモリは、前記シリコン基板の前記温度の複数及び前記フィラメントの前記温度を表す前記変数の複数について計算された光電流のためのエントリーを有するルックアップテーブルを備える、請求項４に記載の熱処理システム。
- 前面側に配設される基板を加熱するための制御可能な放射加熱源と、
前記放射加熱源と対向してシリコン基板を支持するためのサポートと、
前記放射加熱源とは反対の前記サポートの側に配設されるリフレクタプレートと、
前記リフレクタプレートにおける開口を通して光学的に結合される入力端部を有していて、上記リフレクタプレートによって支持され、且つ、前記シリコン基板が前記サポート上に支持されている間に前記シリコン基板に向けられた少なくとも１つの光パイプと、
前記少なくとも１つの光パイプの出力端部に光学的に結合された少なくとも１つの透過型パイロメータであって、前記シリコン基板が前記サポート上に支持されている間に前記シリコン基板を介して前記放射加熱源から約１．２ミクロン未満の波長を有する放射線を検出し、前記シリコン基板の５００℃未満の温度を測定するように構成された少なくとも１つの透過型パイロメータと、
前記放射加熱源に分配される電力の量を制御する電力供給制御システムと、
を備え、前記電力供給制御システムは、
前記シリコン基板の温度の複数の値及び前記放射加熱源におけるランプのフィラメントの温度を表す変数の複数の値について前記透過型パイロメータによって発生される光電流に関する正規化されていない特性を記憶したメモリと、
前記フィラメントの設定温度及び前記シリコン基板の既知の温度について前記透過型パイロメータからの正規化光電流を測定するための手段と、
前記測定された正規化光電流に従って前記記憶された正規化されていない特性を正規化するための手段と、
を含む熱処理システム。 - 前記シリコン基板の前記温度の複数及び前記変数の値の複数について計算された光電流の値を記憶している、請求項６に記載の熱処理システム。
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