特開 2024-180109 半導体ウェハの温度測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024180109

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】半導体ウェハの温度測定方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/66 20060101AFI20241219BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20241219BHJP

   H01L 21/22 20060101ALI20241219BHJP

   G01K 7/42 20060101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

H01L21/66 P

H01L21/265 Q

H01L21/265 W

H01L21/22 501N

H01L21/66 T

G01K7/42 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023099563

(22)【出願日】2023-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】キオクシア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100118843

【弁理士】

【氏名又は名称】赤岡 明

(74)【代理人】

【識別番号】100213654

【弁理士】

【氏名又は名称】成瀬 晃樹

(72)【発明者】

【氏名】岡田 俊祐

(72)【発明者】

【氏名】西尾 吉史

【テーマコード（参考）】

4M106

【Ｆターム（参考）】

4M106AA01

4M106AA10

4M106BA02

4M106BA04

4M106CA31

4M106CA48

4M106DH44

4M106DJ20

(57)【要約】

【課題】半導体ウェハの温度をより適切に測定することができる半導体ウェハの温度測定方法を提供する。
【解決手段】本実施形態による半導体ウェハの温度測定方法は、第１面を有するウェハの第１面側にアモルファス層を形成するように、ウェハの第１面に不純物を導入することを具備する。本温度測定方法は、アモルファス層の膜厚である第１膜厚を測定することを具備する。本温度測定方法は、アモルファス層の一部が再結晶化するように、ウェハを熱処理することを具備する。本温度測定方法は、熱処理後のアモルファス層の膜厚である第２膜厚を測定することを具備する。本温度測定方法は、第１膜厚と第２膜厚との膜厚差に基づいて、熱処理時におけるウェハの温度を測定することを具備する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面を有するウェハの前記第１面側にアモルファス層を形成するように、前記ウェハの前記第１面に不純物を導入し、
前記アモルファス層の膜厚である第１膜厚を測定し、
前記アモルファス層の一部が再結晶化するように、前記ウェハを熱処理し、
熱処理後の前記アモルファス層の膜厚である第２膜厚を測定し、
前記第１膜厚と前記第２膜厚との膜厚差に基づいて、熱処理時における前記ウェハの温度を測定する、
ことを具備する、半導体ウェハの温度測定方法。

【請求項2】

再結晶化する前記アモルファス層の結晶成長速度が所望の速度となるように、前記ウェハの前記第１面に前記不純物を導入する、ことをさらに具備する、請求項１に記載の半導体ウェハの温度測定方法。

【請求項3】

熱処理時における温度に応じた前記不純物の元素または濃度で、前記ウェハの前記第１面に前記不純物を導入する、ことをさらに具備する、請求項２に記載の半導体ウェハの温度測定方法。

【請求項4】

前記不純物の元素は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐ、Ａｓ、Ａｒ、および、Ｓｂのうち少なくとも１つを含む、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体ウェハの温度測定方法。

【請求項5】

前記第１面を覆うカバー膜を形成することなく、前記ウェハに前記不純物を導入する、ことをさらに具備する、請求項１に記載の半導体ウェハの温度測定方法。

【請求項6】

前記ウェハを、所定時間以上、熱処理することをさらに具備する、請求項１に記載の半導体ウェハの温度測定方法。

【請求項7】

前記膜厚差に基づいて、熱処理時における前記ウェハの温度を測定することは、
前記膜厚差と、熱処理時における前記ウェハの温度と、の間の予め設定された関係に基づいて、前記膜厚差を熱処理時における前記ウェハの温度に換算する、
ことを具備する、請求項１に記載の半導体ウェハの温度測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本実施形態は、半導体ウェハの温度測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

バッチアニール炉等の炉を用いたアニール工程では、炉内の位置による半導体ウェハの温度差が、歩留まりまたは特性劣化に影響を与える要因となる。炉内の温度は、炉内の位置に応じた温度プロファイルで制御される。しかし、温度プロファイル上では同等に見えていても、半導体ウェハの実温度に差が発生する場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００－２３２１４２号公報

【特許文献2】特開２０１０－１２９７７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

半導体ウェハの温度をより適切に測定することができる半導体ウェハの温度測定方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本実施形態による半導体ウェハの温度測定方法は、第１面を有するウェハの第１面側にアモルファス層を形成するように、ウェハの第１面に不純物を導入することを具備する。本温度測定方法は、アモルファス層の膜厚である第１膜厚を測定することを具備する。本温度測定方法は、アモルファス層の一部が再結晶化するように、ウェハを熱処理することを具備する。本温度測定方法は、熱処理後のアモルファス層の膜厚である第２膜厚を測定することを具備する。本温度測定方法は、第１膜厚と第２膜厚との膜厚差に基づいて、熱処理時におけるウェハの温度を測定することを具備する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態による半導体ウェハの温度測定方法の一例を示すフロー図。

【図2】第１実施形態による半導体ウェハの温度測定方法の一例を示す断面図。

【図3】第１実施形態による温度換算表の一例を示すグラフ。

【図4】第１実施形態による温度測定結果の一例を示すグラフ。

【図5】第２実施形態による再結晶化するアモルファス層の結晶成長速度の一例を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0008】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による半導体ウェハＷの温度測定方法の一例を示すフロー図である。図２は、第１実施形態による半導体ウェハＷの温度測定方法の一例を示す断面図である。バッチアニール炉等の炉内における、アニール時の半導体ウェハＷの実温度が、図１および図２に従って測定される。

【0009】

まず、半導体ウェハＷにイオン注入を行う（Ｓ１０）。より詳細には、面Ｆを有する半導体ウェハＷの面Ｆ側にアモルファス層２０を形成するように、半導体ウェハＷの面Ｆに不純物を導入（注入）する。

【0010】

半導体ウェハＷは、半導体基板１０を有する。半導体基板１０は、例えば、単結晶のシリコン（Ｓｉ）基板である。注入ダメージによって、半導体基板１０の一部にアモルファス層２０が形成される。図２に示すように、Ｐを含む、膜厚Ｉｎｉ_ａＳｉのアモルファスＳｉ層（アモルファス層２０）が半導体ウェハＷの面Ｆ（上面）側に形成される。膜厚Ｉｎｉ_ａＳｉは、イオン注入後、アニール前におけるアモルファス層２０の膜厚である。

【0011】

イオン注入のドーパント（不純物）は、例えば、Ｐ^＋である。しかし、ドーパントは、Ｐ^＋に限られない。イオン注入のエネルギーは、例えば、２０ｋｅＶである。例えば、アモルファス層２０の膜厚が６ｎｍ以上となる注入条件で行われる。イオン注入のドーズ量は、例えば、１×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２である。尚、アモルファス層２０における不純物の濃度は、例えば、１×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である。

【0012】

次に、アモルファス層２０の膜厚Ｉｎｉ_ａＳｉを測定する（Ｓ２０）。膜厚の測定は、例えば、分光エリプソメトリにより行われる。しかし、これに限られず、膜厚の測定は、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）観察またはＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）観察等により行われてもよい。

【0013】

次に、半導体ウェハＷを炉内でアニールする（Ｓ３０）。より詳細には、アモルファス層２０の一部が再結晶化するように、半導体ウェハＷを熱処理する。

【0014】

アニールにより、単結晶の半導体基板１０と接するアモルファス層２０が再結晶化される。図２に示すように、アモルファス層２０の膜厚が膜厚Ａｆｔ_ａＳｉに変化する。膜厚Ａｆｔ_ａＳｉは、アニール後におけるアモルファス層２０の膜厚である。アモルファス層２０の膜厚の変化量は、処理時間が固定される場合、結晶成長（固相エピタキシャル成長）の速度に依存する。

【0015】

アニールは、不活性雰囲気中で、任意の処理温度および処理時間で行われる。アニールは、例えば、Ｎ_２雰囲気中で、４００℃および２４０分の条件で行われる。

【0016】

次に、アモルファス層２０の膜厚Ａｆｔ_ａＳｉを測定する（Ｓ４０）。ステップＳ４０における膜厚の測定は、ステップＳ２０と同じ方法により行われる。測定された膜厚Ｉｎｉ_ａＳｉおよび膜厚Ａｆｔ_ａＳｉから、膜厚差Δ（Ｉｎｉ_ａＳｉ－Ａｆｔ_ａＳｉ）が算出される。

【0017】

次に、膜厚差Δを温度に換算する（Ｓ５０）。すなわち、膜厚差Δに基づいて、熱処理時における半導体ウェハＷの温度を測定する。より詳細には、膜厚差Δと、熱処理時における半導体ウェハＷの温度と、の間の予め設定された関係に基づいて、膜厚差Δを熱処理時における半導体ウェハＷの温度に換算する。

【0018】

図３は、第１実施形態による温度換算表の一例を示すグラフである。グラフの縦軸は、温度（炉の設定温度）を示す。グラフの横軸は、膜厚差Δを示す。

【0019】

図３に示す４つのデータ点は、予め実行される、膜厚差Δと温度との関係（膜厚の変動量の温度感度）の測定結果を示す。炉の設定温度を４００℃でアニールを行う場合、温度と膜厚差Δとの関係の測定では、４００℃を含む温度範囲から複数の設定温度が選択される。図３に示す例では、３９４℃、３９７℃、４００℃、および、４０３℃の４つの温度が設定温度として選択されている。

【0020】

図３に示す点線は、４つのデータ点をフィッティングした結果を示す。フィッティングによって、多項式が得られる。フィッティングにより得られた多項式に、ステップＳ４０で算出される膜厚差Δを代入することにより、膜厚差Δを温度に換算することができる。

【0021】

図４は、第１実施形態による温度測定結果の一例を示すグラフである。グラフの縦軸は、温度（実温度、または、ステップＳ５０における換算後の温度）を示す。グラフの横軸は、炉内位置を示す。図４に示す例では、複数の半導体ウェハＷを熱処理するバッチアニール炉の最上部から底部までの５つの炉内位置（ＴＯＰ、Ｃ－Ｔ、ＣＮＴ、Ｃ－Ｂ、ＢＴＭ）が示されている。

【0022】

図４に示すように、５つの炉内位置における半導体ウェハＷの温度が測定される。これにより、４００℃の設定温度に対する、バッチアニール炉内の温度分布を得ることができる。

【0023】

以上のように、第１実施形態によれば、膜厚差Δに基づいて、熱処理時における半導体ウェハＷの温度を測定する。これにより、半導体ウェハＷの温度をより高精度に、また、より簡便に測定することができる。

【0024】

また、同じ半導体ウェハＷでアニール前後の膜厚差Δを用いるため、炉内位置評価などの場合に、半導体ウェハＷのサンプル間ばらつきの影響を抑制することができる。これにより、より高精度に半導体ウェハＷの温度を測定することができる。

【0025】

また、第１実施形態では、不純物を導入する前に、面Ｆを覆うカバー膜は形成されない。カバー膜は、例えば、保護膜である。カバー膜は、例えば、酸化膜を含む。カバー膜は、例えば、導電性金属膜をさらに含む場合がある。

【0026】

尚、アニール温度（処理温度）は、４００℃に限られず、１００℃以上７００℃以下であってもよい。

【0027】

炉内の温度をより高精度の測定する方法として、熱電対付きの温度測定用モニタウェハが用いられる場合がある。しかし、温度測定用モニタウェハは、高額であり、また、条件出し用途で使用することが難しい場合がある。

【0028】

これに対して、第１実施形態では、温度測定用モニタウェハを用いることなく、より簡便に炉内の温度を測定することができる。

【0029】

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態による再結晶化するアモルファス層２０の結晶成長速度の一例を示すグラフである。第２実施形態は、アニールの条件に応じてドーパントの元素（元素種）および濃度が変更される点で、第１実施形態とは異なっている。

【0030】

グラフの縦軸は、結晶成長速度（固相エピタキシャル成長速度）を示す。グラフの横軸は、アニール温度をＴとした１０００／Ｔを示す。図５に示す例では、ドーパントとして、Ｐ^＋、Ｇｅ、Ｓｉ、および、Ａｒが示されている。尚、Ｐ^＋は、１×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２、３×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２、および、５×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２のドーズ量で行われている。また、ＳｉおよびＧｅのデータ点と重なる直線は、Ｓｉ（１００）の文献値である。

【0031】

第２実施形態では、ステップＳ１０において、再結晶化するアモルファス層２０の結晶成長速度が所望の速度となるように、半導体ウェハＷの面Ｆに不純物を導入する。より詳細には、熱処理時における温度に応じた不純物の元素または濃度で、半導体ウェハＷの面Ｆに不純物を導入する。尚、アニールの処理時間は固定されている。

【0032】

図５に示すように、１０００／Ｔと結晶成長速度（対数目盛）との間に、直線の関係が存在する。従って、アニール温度Ｔが高いほど結晶成長速度が高くなる。一方、アニール温度Ｔが低いほど結晶成長速度が低くなる。

【0033】

まず、結晶成長速度とドーパントの元素との関係について説明する。

【0034】

ドーパントの元素を変更することによって、アニール温度Ｔと結晶成長速度との関係を示す直線が平行移動する。Ａｒは、Ｓｉ（１００）の文献値に対して、結晶成長速度を減速させる。Ｐは、Ｓｉ（１００）の文献値に対して、結晶成長速度を増速させる。

【0035】

結晶成長速度が速い場合、アニール中に結晶成長が半導体ウェハＷの最表面まで進んでしまう可能性がある。この場合、膜厚差Δを温度換算に利用することができなくなってしまう。一方、結晶成長速度が遅い場合、膜厚測定の精度によっては、温度測定に十分な膜厚差Δを得ることが難しい可能性がある。

【0036】

そこで、結晶成長速度が所望の速度範囲内になるように、ドーパントの元素が変更される。これにより、温度評価が行われる温度帯に応じて、半導体ウェハＷの温度をより適切に測定することができる。例えば、アニール温度Ｔが高いほど結晶成長速度が速くなるため、結晶成長速度を減速させるドーパントが選択される。結晶成長速度を減速させるドーパントは、例えば、Ａｒである。一方、アニール温度Ｔが低いほど結晶成長速度が遅くなるため、結晶成長速度を増速させるドーパントが選択される。結晶成長速度を増速させるドーパントは、例えば、Ｐである。

【0037】

尚、ドーパントの元素は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アルゴン（Ａｒ）、および、アンチモン（Ｓｂ）のうち少なくとも１つ以上から選択されてもよい。

【0038】

次に、結晶成長速度とドーパントの濃度との関係について説明する。

【0039】

ドーパントの濃度（ドーズ量）を変化させることによっても、アニール温度Ｔと結晶成長速度との関係を示す直線が平行移動する。尚、ドーパントの濃度の変化による結晶成長速度の変化は、ドーパントの元素の変化による結晶成長速度の変化よりも小さい。図５に示す例では、Ｐ^＋のドーズ量（濃度）が高くなるほど、結晶成長速度が増速する。一方、Ｐ^＋のドーズ量（濃度）が低くなるほど、結晶成長速度が減速する。

【0040】

結晶成長速度が所望の速度範囲内になるように、ドーパントの濃度が変更されてもよい。

【0041】

また、半導体ウェハＷは、所定時間以上、熱処理される。バッチアニール炉では、例えば、数十分～数時間の比較的長時間の熱処理が行われる。Ａｒ、Ｐといった元素種を用いる場合、比較的長時間の熱処理でも、半導体ウェハＷの温度測定が可能である。

【0042】

第２実施形態のように、アニールの条件に応じてドーパントの元素（元素種）および濃度が変更されてもよい。第２実施形態による半導体ウェハＷの温度測定方法は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0043】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0044】

１０ 半導体基板、２０ アモルファス層、Ｆ 面、Ｗ 半導体ウェハ、Ｉｎｉ_ａＳｉ 膜厚、Ａｆｔ_ａＳｉ 膜厚、Δ 膜厚差

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】