DE3803336C2 - Verfahren zur Temperaturkontrolle von Temperprozessen in der Halbleitertechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturkontrolle von Temperprozessen in der Halbleitertechnik, bei denen die Tem­ peratur von in einer Temperanlage untergebrachten Halbleiter­ scheiben unter Verwendung einer Testscheibe mittels einer Meß­ einrichtung gemessen wird, wobei die Meßeinrichtung eine physi­ kalische Veränderung der Testscheibe erfaßt. Ein derartiges Ver­ fahren ist beispielsweise aus Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B21 (1987) Seiten 618 bis 621 bekannt.

Bei der Herstellung von elektronischen Bauelementen auf Halblei­ terscheiben werden, zum Beispiel beim Ausheilen von implantier­ ten Schichten oder zur Erzeugung von Oxidschichten, Temperpro­ zesse eingesetzt, die eine genaue Temperaturkontrolle erfordern. Dabei muß die Temperatur im gesamten Bereich einer Halbleiter­ scheibe möglichst konstant sein und die Reproduzierbarkeit der Temperatureinstellung der Temperanlage muß gewährleistet sein.

Beim Einsatz von Temperöfen ist es allgemein üblich, die Tempe­ ratur und die Temperaturhomogenität mittels einer Reihe von Thermoelementen zu kontrollieren. Ein genaues Ausmessen von Tem­ peraturgradienten ist damit allerdings schwer möglich und die Messungen sind relativ zeitaufwendig.

Kurzzeittemperanlagen, mit denen genaue Temperatur-Zeit-Profile ausgeführt werden können, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Da das Aufheizen der Halbleiterscheiben in Kurzzeittemperanlagen durch Einkoppeln von elektromagnetischer Strahlung oder durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen erfolgt, kann jeweils nur eine Halbleiterscheibe in einer Kurzzeittemperanlage getempert werden. Zur Temperaturkontrolle werden Pyrometer eingesetzt, die während eines Temperprozesses die Temperatur an einer Stelle der Halbleiterscheibe erfassen und daher keinen Auf­ schluß auf die Temperaturverteilung im Gesamtbereich der Ober­ fläche der Halbleiterscheiben geben. Da in den Kurzzeittemper­ anlagen jeweils nur eine Halbleiterscheibe behandelt werden kann, ist es besonders wichtig, die Reproduzierbarkeit der Tem­ peratureinstellung zu überprüfen.

In Semiconductor International, Mai 1985, Seite 79 bis Seite 84 sind Kurzzeittemperanlagen (Rapid Thermal Processing (RTP-) Systems) beschrieben und der Einsatz von Pyrometern zur Tem­ peraturkontrolle genannt.

Aus der eingangs erwähnten Zeitschrift Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B21 (1987) Seiten 618 bis 621 ist bekannt, zur Bestimmung der Tem­ peratur und der Temperaturverteilung beim Tempern einer Halb­ leiterscheibe in einer Kurzzeittemperanlage für Ausheilprozesse (Rapid Thermal Annealing) den Schichtwiderstand einer auf einer Testhalbleiterscheibe aufgebrachten Wolframsilizidschicht als temperaturabhängige Meßgröße zu verwenden.

Darüber hinaus wird in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B21 (1987) Seiten 612 bis 617 von J. C. Gelpey noch das Aufwachsen eines Oxids auf eine Testhalbleiterscheibe zur Temperaturcharakterisierung angewendet, wobei die Schicht­ dicke des aufgewachsenen Oxids als Maß für die Prozeßtemperatur dient.

Diese beiden Verfahren sind entweder auf die Messung der Tem­ peratur in einem engen Temperaturbereich beschränkt oder rela­ tiv ungenau.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Tempera­ turkontrolle von Temperprozessen anzugeben, das es erlaubt, mittels eines schnellen Meßverfahrens Temperaturschwankungen im Bereich der Oberfläche einer Halbleiterscheibe sehr genau zu er­ fassen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß

• a) auf der zu verwendenden Testscheibe vor ihrem Einsatz eine auf die Temperatureinflüsse empfindlich ansprechende Ober­ flächenschicht erzeugt wird,
• b) nachdem die Testscheibe den zu kontrollierenden Temperpro­ zeß erfahren hat, festgelegten Oberflächenbereichen der Testscheiben periodisch Energie zugeführt wird, wodurch eine geringfügige Erwärmung oder eine Änderung der Elektron-Loch­ dichte verursacht wird, und gleichzeitig deren mit der perio­ dischen Energiezufuhr sich ändernden Reflexionsvermögen für elektromagnetische Strahlung gemessen wird und
• c) mittels einer Eichkurve aus der relativen Änderung des Re­ flexionsvermögens die Temperatur ermittelt wird, die die festgelegten Oberflächenbereiche beim Temperprozeß erfahren haben.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Aus einer Veröffentlichung von W. L. Smith in Solid State Tech­ nology, Januar 1986, Seiten 85 bis 92, ist zwar ein Verfahren bekannt, mit dem die Änderung des Reflexionsvermögens einer Halbleiterscheibe bei periodischer Erwärmung bestimmt werden kann. Dabei werden auch durch modulierte Laserstrahlung Wärme­ wellen an der Oberfläche der Halbleiterscheiben erzeugt, die eine reversible Änderung des Reflexionsvermögens bewirken. Als Teststrahl wird ein Laserstrahl verwendet. Das Verfahren dient jedoch dazu, die Ionenkonzentration implantierter Halbleiter­ schichten zu bestimmen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Verfahrens anhand der Fig. 1 bis 6 weiter erläutert. Dabei zeigen in schemati­ scher Darstellung

Fig. 1 die Herstellung einer Testscheibe mit ionenimplantier­ ter Oberflächenschicht,

Fig. 2 die Testscheibe vor ihrem Einsatz,

Fig. 3 Temperatur-Zeit-Kurve eines mit einer RTP-Anlage durch­ geführten Temperprozesses,

Fig. 4 die Verteilung der Temperaturmeßwerte über die Test­ scheibe als kartographische Darstellung,

Fig. 5 Eichkurven für die Temperaturbestimmung für Testschei­ ben mit anhand von Fig. 1 beschriebenen Eigenschaften,

Fig. 6 Eichkurven für die Temperaturbestimmung für Testschei­ ben, die eine bestimmte Oberflächenschicht aus Polysi­ lizium aufweisen.

Fig. 1: Als Testscheibe 1 eignet sich zur Temperaturkontrolle eines Temperaturbereiches von ca. 500 bis 900°C eine Silizium­ scheibe, die durch Ionenimplantationen von Arsen-Ionen eine für diesen Temperaturbereich empfindliche Oberflächenschicht 2 er­ hält. Die Implantationsdosis beträgt 1×10¹⁶ Ionen pro cm², die Implantationsenergie 80 keV.

Fig. 2: Die Testscheibe 1 weist nach der Ionenimplantation eine arsenhaltige Oberflächenschicht 2 auf.

Fig. 3: Für die Darstellung der Temperatur-Zeit-Kurven sind die an der RTP-Anlage eingestellten Parameter verwendet. Dabei ist eine Kurzzeittemperanlage eingesetzt, die die zu erwärmen­ den Objekte durch Bestrahlung mit Licht aufheizt. Solche RTP- Anlagen werden insbesondere zum Ausheilen implantierter Schich­ ten eingesetzt (Rapid Optical Annealing). Die RTP-Anlage weist eine automatische Temperaturregelung auf, wobei die Temperatur durch Regelung der Intensität der Lichtquelle anhand von Meß­ werten eines Pyrometers erfolgt. Zur Kontrolle des Temperprozes­ ses wird die Testscheibe 1 in der RTP-Anlage bei 650°C in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre 20 Sekunden lang getempert. Die Aufheizrate beträgt 120°C pro Sekunde, die Abkühlrate 50°C pro Sekunde.

Fig. 4: Nachdem die Testscheibe 1 den Temperprozeß erfahren hat erfolgt die Messung der Änderung des Reflexionsvermögens mittels eines Meßgerätes (nicht dargestellt), das die durch einen intensitätsmodulierten Argon-Ionen-Laser erzeugte Änderung des Reflexionsvermögens für Laserstrahlung eines Helium-Neon- Probenlasers mißt. Die Messung erfolgt an 137 gleichmäßig über die Halb­ leiterscheibe 1 verteilten Punkten 3, woraus mittels einer Eich­ kurve (siehe Fig. 5, Bezugszeichen 5) Linien 4 gleicher Tempe­ ratur errechnet werden. Dabei sind die errechneten Temperatur­ werte relative Werte, die der absoluten Temperatur aber sehr nahe kommen. Für die Messung kann anstelle eines intensitätsmo­ dulierten Argon-Ionen-Lasers jede Form einer zeitlich sich än­ dernden Energiezufuhr dienen, zum Beispiel inkohärentes Licht, Wärmezufuhr über Wärmekontakt, Elektronenstrahl, Ionenstrahl oder andere Laser.

Fig. 5: Die Eichkurve mit dem Bezugszeichen 5 ist mit identi­ schen Testscheiben, die die Eigenschaften der Testscheibe 1 auf­ weisen, aufgenommen und gilt für einen Temperprozeß mit einer Temperzeit von 20 Sekunden für die oben beschriebene RTP-Anlage. Die Eichkurve 6 ist für Temperprozesse erstellt, die eine Tem­ perzeit von 5 Sekunden aufweisen und gilt ebenfalls für identi­ sche Testscheiben, die die Eigenschaften der Testscheibe 1 auf­ weisen und für die oben beschriebene RTP-Anlage. Zur Erstellung der Eichkurve sind die Aufheiz- und Abkühlraten der RTP-Anlage vernachlässigbar, da die physikalischen Vorgänge in der Ober­ flächenschicht der Testscheibe in erster Linie von der Höhe der maximalen Temperatur und der Haltezeit bei Maximaltemperatur beeinflußt werden. Die relative Änderung des Reflexionsvermögens ΔR/R ist in relativen Einheiten angegeben. Die Reproduzierbar­ keit der Messung der Reflexionsänderung beträgt ca. 1 Prozent, woraus eine Reproduzierbarkeit der Temperaturmessung im Bereich zwischen 600°C und 800°C von ca. ± 1°C folgt. Temperaturänderun­ gen über eine Halbleiterscheibe können in diesem Bereich auf ca. ± 0,2°C bestimmt werden. Die Eichkurven 5 und 6 belegen, daß der Temperaturbereich, für den die Messung geeignet ist, durch Variation der Temperzeit der Testscheibe festgelegt wer­ den kann.

Fig. 6: Für den Temperaturbereich von ca. 900°C bis 1200°C kann zur Temperaturkontrolle eine Siliziumscheibe mit einer 250 nm dicken Oberflächenschicht aus Polysilizium erfolgen. Die Eich­ kurve gilt für einen Temperprozeß in der oben beschriebenen RTP- Anlage mit einer Temperzeit von 10 Sekunden.

Für die Herstellung von Testscheiben eignen sich insbesondere Halbleiterscheiben mit temperaturempfindlicher Oberflächen­ schicht aus Halbleitermaterial, da in der Halbleitertechnologie genügend ausgereifte Verfahren zur Verfügung stehen, mit denen nahezu identische Testscheiben reproduzierbar hergestellt wer­ den können. Zur Herstellung implantierter Oberflächenschichten eignen sich alle Elemente, die eine Störung des Halbleitergit­ ters der Testscheibe bewirken. Hierbei wird unter Implantatio­ nen jede Art von Teilchenbeschuß der Halbleiterscheibe verstan­ den. Die Schichtdicken der temperaturempfindlichen Oberflächen­ schichten der Testscheiben sind nicht wesentlich.

Claims (5)

1. Verfahren zur Temperaturkontrolle bei Temperprozessen in der Halbleitertechnik, bei denen die Temperatur von in einer Temper­ anlage untergebrachten Halbleiterscheiben unter Verwendung einer Testscheibe mittels einer Meßeinrichtung gemessen wird, wobei die Meßeinrichtung eine physikalische Veränderung der Test­ scheibe erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) auf der zu verwendenden Testscheibe (1) vor ihrem Einsatz eine auf die Temperatureinflüsse empfindlich ansprechende Oberflächenschicht (2) erzeugt wird,
• b) nachdem die Testscheibe (1) den zu kontrollierenden Temper­ prozeß erfahren hat, festgelegten Oberflächenbereichen (3) der Testscheiben periodisch Energie zugeführt wird, wodurch eine geringfügige Erwärmung oder eine Änderung der Elektron- Lochdichte verursacht wird, und gleichzeitig deren mit der periodischen Energiezufuhr sich ändernden Reflexionsvermögen für elektromagnetische Strahlung gemessen wird und
• c) mittels einer Eichkurve (5) aus der relativen Änderung des Reflexionsvermögens die Temperatur ermittelt wird, die die festgelegten Oberflächenbereiche (3) beim Temperprozeß er­ fahren haben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Testscheibe (1) aus Halbleiterma­ terial, insbesondere Silizium, verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Testscheibe (1) eine mit Implantationen versehene Oberflächenschicht (2) aus Halblei­ termaterial erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Testscheibe (1) eine Oberflächenschicht (2) aus polykristallinem Halbleitermate­ rial, insbesondere aus Polysilizium, erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Erwärmung der festgelegten Oberflächenbereiche (3) der Testscheibe (1) durch modulierte elektromagnetische Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, erfolgt.