JP5447111B2 - Ｓｏｉウェーハの熱処理温度を求める方法及びランプ加熱型の気相成長装置における反応炉の温度管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、ランプ加熱型の気相成長装置における反応炉内でのＳＯＩウェーハの真の熱処理温度を求める方法及びそれを用いた反応炉の温度管理方法に関する。

気相成長装置によって、熱処理を施しながらウェーハ表面にエピタキシャル成長させる工程においては、膜の成長速度の制御、不純物ドーピングの制御、スリップの制御などの点から、反応炉内の温度（特には、ウェーハの表面温度及び温度均一性）の制御が非常に重要である。
特に、ＳＯＩウェーハ表面にエピタキシャル成長させる場合、膜厚及び抵抗の均一性が高いレベルで要求され、熱処理中のＳＯＩウェーハの表面温度と温度均一性の制御が重要になってきている。

このような、熱処理されるウェーハ表面温度の温度制御を高精度に行うためには、熱処理中の反応炉内の温度（ウェーハの表面温度）の正確な測定が不可欠である。従来の温度測定法としては、例えば、熱電対を用いる方法、光高温計を用いる方法、イオン注入した単結晶Ｓｉウェーハによる温度計測法などが知られている（例えば、特許文献１−４参照）。

熱電対を用いる温度測定法は、反応炉内に収納されたサセプタに熱電対を埋め込み、加熱系に加えられるパワーとの相関を取って温度を決める方法であり、測定レンジが広く、測定精度が高い（±１％以内）ため、広く一般的に用いられている。また、光高温計を用いる温度測定法は、赤外線の強度（輝度）と温度との相関を利用した方法であって、８００℃以上の高温域で使用される。また、イオン注入を用いた温度計測法は、イオン注入により表面に不純物層が形成された拡散ウェーハの熱処理温度とシート抵抗との相関を利用した方法であり、これは９００℃以上の高温域で使用され、ウェーハ自身の温度を測定する方法として用いられている。

特開昭６０−１０７１４号公報 特開昭６２−１５４６３６号公報 特開昭６３−１６９７２３号公報 特開平０３−１４２９４８号公報

しかし、ランプ加熱型の気相成長装置の場合、熱電対を用いる温度測定方法では、ウェーハ表面を測定するにはサセプタの回転を停止した状態で行わなければならず、実際の反応条件下における真の温度を測定することが不可能であるという欠点がある。また、光高温計を用いる温度測定方法では、ＳＯＩウェーハは活性層と酸化膜層の膜構造によりウェーハ表面からのランプ光を反射してしまうため、正確な温度測定が出来ないという問題がある。また、イオン注入した単結晶Ｓｉウェーハによる温度測定方法では、ＳＯＩウェーハは上記したランプ光の反射等により熱処理中の表面温度が単結晶Ｓｉウェーハとは異なり、また、スリップフリーウィンドウが単結晶Ｓｉウェーハと大きく異なるため、単結晶Ｓｉウェーハで得られた温度均一な条件でＳＯＩウェーハを熱処理しても、スリップや、膜厚及び抵抗均一性の異常が生じる場合がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、ランプ加熱型の気相成長装置における反応炉内の実際の反応条件下におけるＳＯＩウェーハの真の表面温度及び温度均一性を正確に求めることができるＳＯＩウェーハの熱処理温度を求める方法及びそれを用いた反応炉の温度管理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ＳＯＩウェーハに施された熱処理温度を求める方法であって、少なくとも、イオン注入により不純物注入層が形成された拡散用ＳＯＩウェーハを、ランプ加熱型の気相成長装置における反応炉内で熱処理する工程と、該熱処理された拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗を測定する工程とを有し、該測定された拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗を用いて、予め求めた熱処理後の拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗と熱処理温度とのキャリブレーションカーブから、前記拡散用ＳＯＩウェーハに施された熱処理温度を求めることを特徴とするＳＯＩウェーハの熱処理温度を求める方法を提供する。

このように、イオン注入により不純物注入層が形成された拡散用ＳＯＩウェーハを、ランプ加熱型の気相成長装置における反応炉内で熱処理する工程と、熱処理された拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗を測定する工程とを有し、測定された拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗を用いて、予め求めた熱処理後の拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗と熱処理温度とのキャリブレーションカーブから、前記拡散用ＳＯＩウェーハに施された熱処理温度を求めることで、拡散用ＳＯＩウェーハに実際に施された熱処理温度と共にウェーハ面内の温度均一性を正確に求めることができる。このため、求めた熱処理温度を基に、ＳＯＩウェーハへのエピタキシャル成長等の熱処理における温度制御を、高精度に行うことができ、膜厚及び抵抗が均一なエピタキシャル層が形成された高品質のＳＯＩウェーハを製造することができる。

このとき、前記拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗と熱処理温度とのキャリブレーションカーブを予め求める際に、複数の前記拡散用ＳＯＩウェーハを異なる温度で同じ時間熱処理し、該熱処理された複数の拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗を測定して、該測定したシート抵抗と前記熱処理した温度との関係からキャリブレーションカーブを求めることが好ましい。
このように、複数の拡散用ＳＯＩウェーハを同じ時間、異なる温度で熱処理することで、シート抵抗と熱処理温度とのキャリブレーションカーブを、容易かつ正確に求めることができる。

このとき、前記キャリブレーションカーブを予め求めるための熱処理を、ランプ加熱と異なる加熱方法で加熱する熱処理炉で行うことが好ましい。
このように、前記キャリブレーションカーブを予め求めるための熱処理を、ランプ加熱と異なる加熱方法で加熱する熱処理炉で行うことにより、熱電対等により熱処理中のＳＯＩウェーハの温度を精度良く測定できるため、正確なキャリブレーションカーブを求めることができる。

このとき、前記拡散用ＳＯＩウェーハのイオン注入面を、ＳＯＩ層表面とすることが好ましい。
このように、拡散用ＳＯＩウェーハのイオン注入面を、ＳＯＩ層表面とすることで、実際にエピタキシャル成長等させるＳＯＩ層表面の熱処理温度をより高精度に求めることができる。

このとき、前記拡散用ＳＯＩウェーハのイオン注入面に、酸化膜が形成されたものとすることが好ましい。
このように、拡散用ＳＯＩウェーハのイオン注入面に、酸化膜が形成されたものとすれば、熱処理中にイオン注入面の不純物注入層から不純物が全て拡散用ＳＯＩウェーハの内側へ拡散するため、より熱処理温度を反映したシート抵抗となり、高精度に熱処理温度を求めることができる。

このとき、前記拡散用ＳＯＩウェーハのイオン注入面の酸化膜の厚さを、１０００Å以下とすることが好ましい。
このように、拡散用ＳＯＩウェーハのイオン注入面の酸化膜の厚さを、１０００Å以下とすることで、イオン注入して不純物注入層を均一に形成するのが容易で、より精度良く熱処理温度を求めることができる。

また、本発明のＳＯＩウェーハの熱処理温度を求める方法により求められた拡散用ＳＯＩウェーハに施された熱処理温度に基づいて反応炉の温度校正を行うことを特徴とするランプ加熱型の気相成長装置における反応炉の温度管理方法を提供する。
このように、本発明のＳＯＩウェーハの熱処理温度を求める方法により求められた拡散用ＳＯＩウェーハに施された熱処理温度に基づいて反応炉の温度校正を行うことで、実際の反応条件下での所望の熱処理温度からのズレがほとんど無い温度校正を行うことができ、ランプ加熱型の気相成長装置における反応炉の温度管理を高精度に行うことができる。

以上のように、本発明によれば、実際の反応条件下におけるランプ加熱型の気相成長装置における反応炉内でのＳＯＩウェーハに施された熱処理温度を正確に求めることができるため、求めた熱処理温度に基づいて、エピタキシャル成長等におけるＳＯＩウェーハ表面温度を高精度に制御することができる。

本発明のＳＯＩウェーハの熱処理温度を求める方法の実施態様の一例を示すフロー図である。 熱処理後の拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗と熱処理温度とのキャリブレーションカーブを示すグラフである。 （ａ）本発明により求められたＳＯＩウェーハの表面温度マップと、（ｂ）単結晶Ｓｉウェーハの表面温度マップである。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明のＳＯＩウェーハの熱処理温度を求める方法の実施態様の一例を示すフロー図である。

図１（ａ）に示すように、本発明のＳＯＩウェーハの熱処理温度を求める方法では、例えば、埋め込み酸化膜１２上にＳＯＩ層１１が形成されたＳＯＩウェーハ１４を準備する。
このとき準備するＳＯＩウェーハ１４としては、特に限定されず、貼り合わせ法やＳＩＭＯＸ法等により作製されたものとすることができる。また、製品用のＳＯＩウェーハと同じ条件のものを準備すれば、同条件のウェーハで熱処理温度を求めることができるため、本発明で求めた熱処理温度を基に、製品用のＳＯＩウェーハを熱処理し、高精度の温度制御を行うことができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、例えばＰ、Ｂ、Ａｓ等の不純物をイオン注入して不純物注入層１３を形成することで、拡散用ＳＯＩウェーハ１０を作製する。
イオン注入条件としては、特に限定されず、例えば、ＳＯＩウェーハの表層に厚さ０．１μｍ程度の不純物注入層を形成することができる。イオン注入によれば、拡散濃度の精度は±１％以内であるため、精度良く熱処理温度を求めることができる。

このとき、ＳＯＩウェーハ１４のイオン注入面は、ＳＯＩウェーハ１４の両面でも裏面のみでもイオン注入することができ、特に限定されないが、ＳＯＩ層１１（表面）にイオン注入することが好ましい。
エピタキシャル成長等させる表面はＳＯＩ層の表面であるため、ＳＯＩ層に不純物注入層を形成すれば、ＳＯＩ層表面に実際に施された熱処理温度を正確に求めることができ、その求めた熱処理温度を基に、より高品質のエピタキシャル層を形成できる。

また、ＳＯＩウェーハ１４のイオン注入面に酸化膜１５を形成して、イオン注入することが好ましい。
不純物注入層を酸化膜でシールされた拡散用ＳＯＩウェーハを作製でき、後工程の熱処理によって不純物注入層中の不純物が外方拡散せず、全てウェーハ内に拡散して、シート抵抗と熱処理温度との相関関係がより正確に検出できるため、より精度高く熱処理温度を求めることができる。また、酸化膜１５は、イオン注入前に形成する方が、酸化膜形成が容易である。

このとき形成する酸化膜１５の厚さとしては、好ましくは１０００Å以下、より好ましくは５０Å以上５００Å以下で形成する。
このような厚さで酸化膜を形成しておけば、厚さが１０００Å以下、より好ましくは５００Å以下であれば、不純物注入層を均一に形成でき、かつ、５０Å以上であればイオン注入面を確実にシールできるため、より高精度に熱処理温度を求めることができる。

次に、図１（ｃ）に示すように、拡散用ＳＯＩウェーハ１０に熱処理することにより、不純物注入層１３の不純物がウェーハ内に拡散深さＸまで拡散する。
当該熱処理により、不純物注入層の不純物がウェーハ内に拡散するが、この際、反応炉内の熱処理温度等の実際の熱処理条件に依存して拡散深さが異なる。このため、実際の熱処理温度を反映した拡散深さの不純物拡散層１６を有する拡散用ＳＯＩウェーハ１０を得ることができる。

次に、図１（ｄ）に示す工程において、上記のように熱処理された拡散用ＳＯＩウェーハ１０のシート抵抗を、例えば四探針法で測定する。この際、酸化膜１５を形成している場合には、エッチング等により除去して、測定することが好ましい。
そして、本発明では、図１（ｄ）に示す工程において測定された拡散用ＳＯＩウェーハ１０のシート抵抗を用いて、予め求めた熱処理後の拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗と熱処理温度とのキャリブレーションカーブから、拡散用ＳＯＩウェーハ１０に施された真の熱処理温度を求める。

ここで、熱処理後の拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗と熱処理温度とのキャリブレーションカーブを求める方法としては、例えば、複数の拡散用ＳＯＩウェーハを異なる温度で同じ時間熱処理し、該熱処理された複数の拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗を測定して、測定したシート抵抗と熱処理した温度との関係からキャリブレーションカーブを求めることが好ましい。

このキャリブレーションカーブを求める際の、上記熱処理した温度を測定する方法としては、例えば、ランプ光による加熱方法を用いない別の熱処理炉、すなわち抵抗加熱や高周波加熱による熱処理炉において、ＳＯＩウェーハに対して、上記キャリブレーションカーブを求めるための熱処理を行い、熱電対によりＳＯＩウェーハの温度を測定することができる。
このように、抵抗加熱や高周波加熱等のランプ加熱と異なる加熱方法で加熱する熱処理炉を用いれば、簡易な方法で、精度良くＳＯＩウェーハの温度測定を実施することができるため、正確なキャリブレーションカーブを効率的に求めることができる。

不純物の拡散深さＸは、熱処理の温度Ｔと時間ｔに依存するが、上記の方法では、各拡散用ＳＯＩウェーハを同じ時間加熱することにより（即ちｔ＝ｃｏｎｓｔ．）、各拡散用ＳＯＩウェーハにおける不純物の拡散深さ（不純物拡散層の厚さ）Ｘは、温度Ｔのみに依存することとなり、該拡散深さＸは、Ｄを拡散係数とすると、次式（１）で表されるように温度Ｔの平方根に比例する。
Ｘ∝√（ＤＴ）・・・・（１）

一方、拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗Ｒｓは、不純物の拡散深さをＸ、平均面抵抗率をρとすると、次式（２）で表される。
Ｒｓ＝ρ／Ｘ・・・・（２）
従って、（１）、（２）式より、拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗Ｒｓは、温度Ｔに依存することとなり、シート抵抗Ｒｓと温度Ｔとの間には相関があることが分かる。
そこで、上記のように、加熱時間一定（ｔ＝ｃｏｎｓｔ．）の下に、異なる温度条件下で熱処理された複数枚の拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗Ｒｓを測定すればシート抵抗Ｒｓ−温度Ｔのキャリブレーションカーブが得られる。

上記のように求めたキャリブレーションカーブから、図１（ｄ）の工程で測定したシート抵抗を用いて、拡散用ＳＯＩウェーハ１０に施された熱処理温度を求めることができるため、実際の反応炉内での温度を正確に求めることができる。また、図１（ｃ）の熱処理の条件を、実際の製品用のＳＯＩウェーハに施す熱処理や、エピタキシャル成長条件と同じ条件とすれば、求めた熱処理温度を基に、好適な熱処理条件を高精度に設定することができる。

また、図１（ｃ）の熱処理の際に、拡散用ＳＯＩウェーハと共に不純物注入層が形成されていない通常のＳＯＩウェーハも同じ気相成長装置の反応炉内で気相成長させることで、熱処理された拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗で真の熱処理温度を求め、さらに、通常のＳＯＩウェーハに形成されたエピタキシャル層の膜厚、抵抗均一性を測定することで、それらを基に、高品質のエピタキシャル層を形成できる気相成長条件を求めることができる。

また、上記した本発明のＳＯＩウェーハの熱処理温度を求める方法により求められた拡散用ＳＯＩウェーハに施された熱処理温度に基づいて、反応炉の温度校正を行うランプ加熱型の気相成長装置における反応炉の温度管理方法であれば、反応炉の温度を高精度に管理することができ、当該管理方法により管理された反応炉内で熱処理を行うことで、高品質のＳＯＩウェーハを製造することができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
まず、ＳＯＩ層がエッチング、研磨された直径８インチ（２００ｍｍ）のＳＯＩウェーハを複数枚用意し、不純物注入層をシールするための厚さ２００Åの酸化膜を形成した。
次に、ＳＯＩ層表面からＡｓを加速電圧１５０ＫｅＶ、打込量７．５×１０^１３ｉｏｎｓ／ｃｍ^２の条件で注入して、ＳＯＩ層表層にＡｓの不純物注入層を形成し、複数枚の拡散用ＳＯＩウェーハを得た。

その後、抵抗加熱型熱処理炉に拡散用ＳＯＩウェーハをセットし、キャリアガスとしてＨ_２ガスを供給しながら熱電対による温度測定により温度１０７０℃で３０分熱処理し、熱処理が終了した拡散用ウェーハのＳＯＩ層表面のシート抵抗を４探針法によって測定した。同様にして温度１１００℃、１１３０℃で各３０分熱処理した拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗を測定した。

そして、図２に示すシート抵抗と熱処理温度との関係を示すキャリブレーションカーブが得られた。不純物注入層は酸化膜でシールされているため、熱処理によってイオン注入された不純物が全てウェーハ内に拡散し、温度Ｔの増加と共に拡散深さＸが大きくなるため、図２に示すように温度Ｔの増加と共にシート抵抗Ｒｓが小さくなっている。

次に、同条件でＡｓをイオン注入した拡散用ＳＯＩウェーハを温度１０７０℃で３０分熱処理し、その後同様にシート抵抗を測定した。当該測定したシート抵抗を用いて図２のキャリブレーションカーブから図３（ａ）に示す表面温度マップを求めた。

以上のようにしてシート抵抗Ｒｓ−温度Ｔのキャリブレーションカーブを基にして、製品であるＳＯＩウェーハの真の表面温度及び表面温度均一性を求めて評価することができた。

（比較例）
実施例と同様に、ただしＳＯＩウェーハではなく単結晶Ｓｉウェーハを用いて、キャリブレーションカーブを求めて、実施例と同条件で熱処理した単結晶Ｓｉウェーハの表面温度マップを求めた。求めた表面温度マップを図３（ｂ）に示す。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、同条件で熱処理を行った場合でも、ＳＯＩウェーハと単結晶Ｓｉウェーハでは、表面温度状態が全く異なるため、単結晶Ｓｉウェーハを用いて本発明の方法を実施しても、ＳＯＩウェーハの熱処理時の表面温度を求めることはできないことが分かる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０…拡散用ＳＯＩウェーハ、 １１…ＳＯＩ層、 １２…埋め込み酸化膜、
１３…不純物注入層、 １４…ＳＯＩウェーハ、 １５…酸化膜、
１６…不純物拡散層。

Claims (5)

1. ＳＯＩウェーハに施された熱処理温度を求める方法であって、少なくとも、イオン注入により不純物注入層が形成された拡散用ＳＯＩウェーハを、ランプ加熱型の気相成長装置における反応炉内で熱処理する工程と、該熱処理された拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗を測定する工程とを有し、該測定された拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗を用いて、予め求めた熱処理後の拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗と熱処理温度とのキャリブレーションカーブから、前記拡散用ＳＯＩウェーハに施された熱処理温度を求め、
   前記拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗と熱処理温度とのキャリブレーションカーブを予め求める際に、複数の前記拡散用ＳＯＩウェーハを異なる温度で同じ時間熱処理し、該熱処理された複数の拡散用ＳＯＩウェーハのシート抵抗を測定して、該測定したシート抵抗と前記熱処理した温度との関係からキャリブレーションカーブを求め、
   前記キャリブレーションカーブを予め求めるための熱処理を、ランプ加熱と異なる加熱方法で加熱する熱処理炉で行い、
   前記ランプ加熱と異なる加熱方法は、抵抗加熱又は高周波加熱であることを特徴とするＳＯＩウェーハの熱処理温度を求める方法。
2. 前記拡散用ＳＯＩウェーハのイオン注入面を、ＳＯＩ層表面とすることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウェーハの熱処理温度を求める方法。
3. 前記拡散用ＳＯＩウェーハのイオン注入面に、酸化膜が形成されたものとすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＳＯＩウェーハの熱処理温度を求める方法。
4. 前記拡散用ＳＯＩウェーハのイオン注入面の酸化膜の厚さを、１０００Å以下とすることを特徴とする請求項３に記載のＳＯＩウェーハの熱処理温度を求める方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のＳＯＩウェーハの熱処理温度を求める方法により求められた拡散用ＳＯＩウェーハに施された熱処理温度に基づいて反応炉の温度校正を行うことを特徴とするランプ加熱型の気相成長装置における反応炉の温度管理方法。
   

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