JPH10321539A - 半導体製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】ウエハを加熱して処理する半導体製造プロセス
において、ウエハを短時間で均一な温度に加熱すること
によって、微細なパターンを均一かつ効率良く形成する
方法を提供することである。 【解決手段】上記は、裏面を光学的に滑らかにしたウエ
ハ４を用い、あらかじめウエハ裏面の放射率を求め、ウ
エハを熱源１で加熱し、ウエハが不透明な領域の測定波
長を持つ放射温度計６でウエハ裏面温度を測定し、放射
温度計と鏡面対称な方向に熱源の放射光を吸収する手段
を設け、放射温度計で測定したウエハ温度に放射率の補
正を加えた結果に基づいて熱源の加熱量を制御しながら
ウエハを処理する、ことによって達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体製造プロセス
の中でウエハを加熱して処理するプロセスに関わり、特
にウエハを高温に加熱して処理する酸化，アニール，拡
散プロセスにおいて、ウエハを短時間で均一な温度に加
熱できるようにすることによって、半導体基板の上に微
細なパターンを均一かつ効率良く形成する方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造プロセスではＬＳＩの高集積
化による微細加工の必要性から、酸化，アニールなどの
処理時間を短縮するとともに、ウエハ温度をより均一化
することが望まれている。また、ウエハの大口径化がこ
れらの課題をいっそう困難なものにしている。このよう
な背景から、従来から上記プロセスに使用されていたバ
ッチ式装置（数十枚〜百数十枚のウエハを一度に処理）
に代わり、枚葉式装置（ウエハを一枚ごとに処理）の必
要性が高まってきた。バッチ式装置ではウエハによって
挿入時に受ける熱履歴が異なるため、１０分以下の短時
間処理は困難になるからである。

【０００３】枚葉式装置の代表的なものとしてランプを
熱源とした装置が挙げられる。この装置は、ウエハを短
時間で所定温度に昇温することができるという長所を持
っている。一方、ウエハ面内の温度分布を均一にするた
めには数多くのランプを用いて、それを複数ゾーンに分
割し、各ゾーンごとに発熱量を適正に制御する必要があ
る。それには、ウエハの温度分布を測定する技術が必須
になることから、従来から非接触で温度測定が可能な放
射温度計の適用が検討されてきた。しかしながら、ラン
プ加熱の装置において放射温度計でウエハ温度を測定す
るには以下のような問題があった。

【０００４】（１）ランプが放射する光（赤外線，紫外
線を含む）が放射温度計に入射することにより誤差が生
ずる。

【０００５】（２）ウエハごとに放射率が異なる、ある
いは処理中に放射率が変化することにより誤差が生ず
る。

【０００６】これらの問題を解決するため従来いろいろ
な方法が考えられているが、代表的なものを以下で説明
する。

【０００７】まず、ランプ放射光による測定誤差を低減
する最も一般的な方法を説明する。通常ランプ加熱装置
は石英製の反応管に収納したウエハを、ランプを用いて
反応管の外側から加熱する構造となっている。ここで、
ランプ（正確にはランプのフィラメント）は１５００〜
２０００℃と非常に高温に達するため、ランプ放射光の
強度が最大になる波長は可視光から近赤外領域となる。
一方、図８に示すように石英は３〜４μｍより長い波長
の赤外線を透過しないため、反応管の中にはこの波長領
域の赤外線は到達しない。従来はこの現象を利用してウ
エハ温度を測定していた。すなわち、放射温度計が感度
を有する光の波長（測定波長）を４μｍ以上にすれば、
ランプ放射光の影響を受けずに温度測定が可能になるの
である。ただし、その際には石英反応管の一部を上記波
長領域の赤外線が透過する材料で構成し、ウエハが放射
する赤外線が放射温度計に届くようにする必要があった
（特開昭60−131430号公報参照）。

【０００８】一方、ウエハ放射率が変化するのは表面に
種々の薄膜が多層に形成され、薄膜内で光の干渉が起こ
ることに起因している。したがって、膜の種類，厚さ，
膜数あるいは膜を重ねる順序によってウエハ放射率は変
化するし、プロセス中に膜厚が変化することによっても
変わりうる。このようにウエハ毎に放射率が変化するた
め、処理前に反射率を測定した結果から放射率を推定し
て（透過率を０と仮定して反射率＋放射率＝１の関係を
用いる。）、放射温度計の測定値を補正することが行わ
れていた。しかしながら、ランプ放射光による測定誤差
を低減するため、上述のように放射温度計の測定波長を
４μｍ以上にした場合には、処理前に室温で測定した放
射率と処理中に高温に加熱された時のウエハ放射率が異
なるという問題が生じてくる。

【０００９】すなわち、この波長領域では図９に示すよ
うにウエハ基板自体であるシリコンの放射率が温度によ
って変化するからである。このため、内部に熱電対を埋
め込んだウエハを用いて温度とシリコンウエハ放射率の
関係を求め測定値を補正する方法と、前述した処理前に
測定した反射率から推定した放射率を用いて測定値を補
正する方法とを組み合わせて用いているのが現状であ
る。

【００１０】以上、説明したように従来の放射温度計に
よるウエハ温度測定においては、測定波長をどの範囲に
選ぶかという点について、ランプ放射光による測定誤差
低減と放射率補正の高精度化から相反する要求があっ
た。

【００１１】このため、本発明者らは上記とは異なる方
法、半導体素子を形成する前のウエハ表面が光学的に滑
らかな面であることを利用してランプ放射光の影響を低
減する一方法を考案した。すなわち、ウエハ表面の法線
方向に放射温度計を置いて測定し、ランプ反射光をウエ
ハ表面で鏡面反射させ、放射温度計には入り込まないよ
うにする方法である（特開平2−303024 号参照）。しか
し、この方法の欠点は、半導体素子を形成することによ
ってウエハ表面に凹凸ができると使えなくなることであ
った。したがって、測定位置が半導体素子を作らないウ
エハの周辺のみに限定されるという問題があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は半導体
製造プロセスの中でウエハを加熱して処理するプロセ
ス、特にウエハを高温に加熱して処理する酸化，アニー
ル，拡散プロセスにおいて、放射温度計を用いてウエハ
温度を測定する場合に生ずる上記のような問題点を解決
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、（１）裏
面（半導体素子を形成しない面）を光学的に滑らかにし
たウエハを用い、（２）あらかじめ放射温度計の測定波
長におけるウエハ裏面の反射率を測定して放射率を求
め、（３）そのウエハを熱源で加熱し、（４）測定波長
がウエハが不透明な領域の放射温度計を少なくとも一つ
用いてウエハ裏面の温度を測定し、（５）温度を測定す
るウエハ裏面のある領域に対して、放射温度計と鏡面対
称な方向に熱源が放射する光（紫外線，赤外線を含む）
を吸収する手段を設け、（６）放射温度計で測定された
ウエハ温度に放射率の補正を加えた結果に基づいてオフ
ラインあるいはオンラインで熱源の加熱量を制御しなが
らウエハを処理する、ことによって達成される。あらか
じめウエハ裏面の放射率が既知である場合には、ウエハ
裏面の反射率を測定する手順を省いても良い。あるい
は、処理中にウエハ裏面の放射率が変化する場合には、
処理中に放射率も測定し、その結果をもって放射温度計
の測定値に補正を加えても良い。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図を用い
て説明する。

【００１５】図１は本発明の第一の実施例を示す図であ
る。反応室２の中に石英反応管３を設け、その中に裏面
を光学的に滑らかにしたウエハ４を入れ、反応管３の外
側から複数本のランプ１によって加熱する。ウエハ４は
半導体素子を形成する表面を上側にして支持台７上に置
いてある。放射温度計６はウエハ４裏面の温度を測定す
るように、反応室１の下側に上向きに設置してある。反
応室１の下面には開口部５があり、図中に点線で示した
ようにウエハ４裏面から放射される光が放射温度計６に
届くようになっている。放射温度計６の測定方向はウエ
ハ４裏面の法線方向Ａと一致するように調整されてい
る。この実施例では熱源であるランプ１の放射光を吸収
する手段を特に設けていないが、放射温度計６を含む開
口部５が実質的にそれに代わる役割を果している。なぜ
なら、開口部５から一旦、外側の空間に飛び出した光が
再び反応室２の内部に戻る確率は極めて低いからであ
る。

【００１６】放射温度計６の測定波長は、ウエハ４の基
板がシリコンの場合には０.１〜１μｍ範囲とすれば良
く（検出感度が最大になる波長が前記領域内あり、検出
器が感度を有する帯域幅をできる限り狭くするのが望ま
しい。）、その時の検出器としてはシリコンフォトダイ
オードが適当である。この波長範囲では、シリコンの放
射率は温度が変化しても一定だからである。ただし、本
発明は特にウエハ４の材質を限定するものではなく、し
たがって、その材質によって適切な測定波長が異なるこ
とは言うまでもない。

【００１７】ウエハ４裏面の粗さは、放射温度計６の測
定波長の少なくとも１／１０以下になるようにするのが
望ましく、最低でも１／３以下とする。測定波長が０.
１〜１μｍの放射温度計６を使用するのであれば、十〜
数十ｎｍ程度の粗さにすればよい。このような条件が満
たされれば、ウエハ４裏面を光学的に滑らかな面と見な
すことができる。また、ウエハ４裏面は全面が光学的に
滑らかであってもよいし、温度を測定する部分だけ滑ら
かにしてもよい。

【００１８】次に、ウエハ４裏面の反射率の測定方法に
ついて図２を用いて説明する。光源２１から放射された
ビーム状の光をハーフミーラ２３を介してウエハ４裏面
（温度を測定する部分）に照射し（入射光２４）、そこ
で反射した同じくビーム状の反射光２５の強度を同様に
ハーフミラー２３を介して検出器２２で測定する。入射
光２４と反射光２５の強度比から反射率が計算される。
ただし、入射光２４，反射光２５のいずれもハーフミラ
ー２３を通るので、あらかじめ反射率が既知の面を用い
て、入射光２４と反射光２５の強度比と反射率の関係を
求めておく必要があることは言うまでもない。

【００１９】このようにして、測定したウエハ４裏面の
反射率から放射率が計算できる。それは、ウエハ４の基
板材質がシリコンの場合には先に説明した放射温度計６
の測定波長０.１〜１μｍ の範囲において、透過率は０
で放射率＋反射率＝１の関係が成り立つからである。ま
た、前述したようにウエハ４の放射率が変化するのは、
主として膜による干渉の効果が原因であるから、入射光
２４をウエハ４裏面に入射させる方向と放射温度計６に
よる測定方向とは一致させる必要がある。さらに、同様
の理由から、反射率は放射温度計６の測定波長における
値でなければならない。したがって、検出器２２には放
射温度計６と同様の波長特性を持つものを使用するのが
良い。

【００２０】また、光源２１もウエハ４と同じ輝度温度
となるものが望ましいが、放射温度計６の波長帯域幅が
狭ければ（０.２〜０.３μｍ程度）ハロゲンランプなど
を使用しても問題ない。なお、本発明が対象としている
枚葉式装置は、通常マルチチャンバの装置構成にするか
ら、ここで説明した反射率測定は、例えば反応室２に挿
入される前にウエハ４が待機する場所で行えば良い。

【００２１】図３は本発明の第二の実施例を示す図であ
る。第一の実施例と異なる点は、放射温度計６の測定方
向がウエハ４裏面の法線Ａに対して傾いている点にあ
る。このため、反応室１には放射温度計６用の開口部５
とは別に、ウエハ４裏面の法線Ａに対して測定方向Ｂと
対称方向Ｃと反応室２との交点の位置にもう一つの開口
部５′を設ける。この開口部５′は、第一の実施例と同
様にランプ１放射光を吸収する役割を果たし、放射温度
計６にランプ１の放射光を入射しないようにすることが
できる。

【００２２】図４は第二の実施例における反射率測定方
法を示す図である。図２と異なるのは、光源２１の方向
と検出器２２を置く方向をそれぞれ、測定方向Ｂ，対称
方向Ｃと一致させている点である。なお、図示したのと
反対に光源２１を測定方向Ｂに、検出器２２を対称方向
Ｃにおいても構わない。

【００２３】以上説明した第一および第二の実施例で
は、処理前にウエハ４反射率を測定する場合について説
明したが、あらかじめウエハ４の放射率（反射率）が既
知の場合は測定を省いても良い。放射率が既知の場合の
一例としてウエハ４の上に一層のシリコン酸化膜あるい
はシリコン窒化膜が形成された場合を取り上げる。図５
は、このようなウエハ４の放射率を実測した結果と、膜
内の干渉を考慮して計算で求めた結果を比較して示した
ものである（測定波長＝０.９μｍ ，測定方向＝法線方
向）計算値と実験値が良く一致することがわかる。すな
わち、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜のよう
に、光学的特性が明らかにされている膜であれば、十分
精度良く放射率を計算することができる。なお、この例
では単層の場合について説明したが、膜が多層に形成さ
れている場合でも同じである。

【００２４】また、この図からわかるようにウエハ４上
にシリコン窒化膜が形成された場合には、その厚さが
０.１１２５＋０.２２５ｎ（ｎ＝１，２，・・）μｍに
おいてウエハ４の放射率がほぼ１に等しくなる（ただ
し、測定方向＝法線方向の場合。測定方向が異なると放
射率がほぼ１に等しくなる膜の厚さは異なる。）。した
がって、ウエハ４裏面に上記厚さのシリコン窒化膜を一
層形成した後に処理すれば、放射率は常に１として扱っ
てよく、測定が簡単になる。

【００２５】図６は、本発明の第三の実施例を示す図で
ある。第二の実施例と異なる点はウエハ４裏面の反射率
を処理中に測定している点にある。光源２１から放射さ
れたビーム上の光をウエハ４裏面の温度を測定する部分
に直接照射し（入射光２４）、そこで反射した反射光２
５の強度を放射温度計６で測定する。この場合、放射温
度計６はウエハ４裏面から放射された光と光源２１から
放射された光の区別する必要がある。そのため、光源２
１から放射される光は適当な周波数な断続光とし、放射
温度計６の測定回路（図示せず）において直流成分はウ
エハ４裏面の放射光によるもの、断続（あるいは交流）
成分は光源２１の放射光によるものと区別する。

【００２６】図７は本発明の第四の実施例を示す図であ
る。第一，二，三の実施例とは異なり、熱源としてヒー
タ９を用い、ウエハ４を裏面側からのみ加熱する装置で
ある。反応室２内には内部にヒータ９を組み込み、その
上にサセプタ８を取り付けた台１０を設置し、その上に
半導体素子を形成する表面を上にしてウエハ４が置かれ
ている。台１０には第一，二，三の実施例と同じく、ウ
エハ４裏面の放射光が放射温度計６に届くように開口部
５が設けてある。また、ヒータ９ならびにサセプタ８に
も同様に開口部１１，１２が設けてある。このように、
本発明はその適用範囲を特にランプ加熱の装置に限定す
るものではなく、種々な方式の装置への適用が可能であ
り、一般性の高い処理方法である。

【００２７】なお、以上いずれの実施例においても温度
の測定点を一点とした場合について説明したが、同様の
方法で複数の点の温度を測定し温度分布を求めることが
できるのは言うまでもない。したがって、その結果に基
づいてランプの発熱量分布をオンラインあるいはオフラ
インで制御し、ウエハ４の温度分布を均一にすることが
可能である。

【００２８】

【発明の効果】本発明を用いることによって、半導体製
造プロセスの中でウエハを加熱して処理するプロセスに
おいて、ウエハを短時間で均一な温度に加熱できるよう
になり、引いては半導体基板の上に微細なパターンを均
一かつ効率良く形成することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示すランプ加熱装置の
反応室断面図。

【図２】本発明の第一の実施例のウエハ裏面の反射率測
定方法を示す図。

【図３】本発明の第二の実施例を示すランプ加熱装置の
反応室断面図。

【図４】本発明の第二の実施例のウエハ裏面の反射率測
定方法を示す図。

【図５】シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜が形成
されたウエハの放射率と、それらの膜の膜厚との関係を
示す図。

【図６】本発明の第三の実施例を示すランプ加熱装置の
反応室断面図。

【図７】本発明の第四の実施例のウエハ裏面の反射率測
定方法を示す図。

【図８】石英の透過率の波長依存性を示す図。

【図９】温度を変化させた時のシリコンウエハの放射率
の波長依存性を示す図。

【符号の説明】

１…ランプ、２…石英反応室、３…石英管、４…ウエ
ハ、５，５′…開口部、６…放射温度計、７…支持台、
８…サセプタ、９…ヒータ、１０…台、１１…サセプタ
開口部、１２…ヒータ開口部、２１…光源、２２…検出
器、２３…ハーフミラー、２４…入射光、２５…反射
光。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体製造プロセスの中でウエハを加熱し
   て処理するプロセスにおいて、半導体素子を形成しない
   裏面を光学的に滑らかにしたウエハを用い、あらかじめ
   放射温度計の測定波長におけるウエハ裏面の放射率を実
   測あるいは計算で求め、そのウエハを熱源で加熱し、測
   定波長がウエハが不透明な領域の放射温度計を少なくと
   も一つ用いてウエハ裏面の温度を測定し、温度を測定す
   るウエハ裏面のある領域に対して放射温度計と鏡面対称
   な方向に熱源が放射する光を吸収する手段を設け、放射
   温度計で測定されたウエハ温度に放射率の補正を加えた
   結果に基づいてオフラインあるいはオンラインで熱源の
   加熱量を制御しながらウエハを処理することを特徴とす
   る半導体製造方法。