JP3550315B2 - シリコンワークピースを処理する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路のようなシリコンデバイスを処理する装置に関し、特に、シリコンワークピース温度を測定し、５００℃より下の温度を含む広い範囲にわたる温度依存性製造プロセスを制御する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンデバイス製造に用いる多くのシステムは、何らかの処理をしている間にシリコンワークピースの温度を制御するために必要なシステムである。例えば、所定の温度でマスクされたシリコンワークピースにドーパントを蒸着ないし注入し、所望の度合いの拡散ないしアニールをするために所定の高い温度にワークピースを加熱する。同様に、酸化物、窒化物、金属のような多くの付加的な材料の層を所定の温度で蒸着し多くの加熱処理を施す。従って、シリコンワークピースを注意深く制御して加熱するステーションは、シリコンデバイス製造装置の重要な部分である。
【０００３】
典型的なシリコンワークピース加熱ステーションは、ワークピース支持体、ワークピースの温度を測定する装置、ワークピースを加熱するための赤外バルブのようなコントローラブル加熱要素からなる。電子回路が測定した温度を受信し、加熱要素を制御し、時間の関数としての所望の温度を達成する。
【０００４】
シリコンプロセス技術が進歩するにつれ、伝統的なワークピース加熱ステーションの性能が満足できないものとなる。多くのプロセスステップにおいて５００℃より下のワークピース温度までに減らすために大きな問題が発生している。
【０００５】
伝統的な加熱ステーションはワークピースの温度を測定するために熱電対ないし光学的高温計（ｐｙｒｏｍｅｔｅｒ）を利用する。熱電対は広い温度範囲で有効であるが、正確さのためワークピースに取り付けなければならない。この取付は、コストがかかり、時間を消費させ、ワークピースを害してしまう。光学的高温計は取り付ける必要がないが、低温において正確さに欠け、５００℃より下の温度では必要な正確さに欠ける。
【０００６】
このような応用に対して新しい温度測定デバイスを開発するために多くの努力がされている。これらすべては、所望の温度範囲にわたって所望の正確さでワークピースの温度を測定し制御するのに問題を抱えている。
【０００７】
このような努力の１つとして、リップル（ｒｉｐｐｌｅ）技術を利用して高温計を改善する方法がある。この技術は、加熱ランプに電源を供給するＡＣ電源の熱的変調の利点を利用する。高温計はワークピースが発した光の振動成分（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を測定する。この技術を用いると、ワークピースの温度を１１００℃付近の温度にて精度１２℃で制御することができ、この技術を利用する高温計は、正確さは落ちるが６００℃にても有効である。しかし、これよりも低い動作温度と高い正確さが必要である。
【０００８】
第２のアプローチとしては、半導体の光バンドギャップエネルギーの近くで半導体の反射率における変異を測定することにより半導体ワークピース温度を測定する方法である。このバンドギャップは半導体が実質的に等化的であるエネルギーよりも低いエネルギーである。半導体によってはバンドギャップエネルギー付近で、反射光の量が波長に対して急激に変化し、エネルギーギャップが温度が変化するにつれ少しシフトする。従って、半導体上にこのような波長の光を照射し反射率を測定することにより温度を測定する方法が提案されている。この方法はＧａＡｓのような直接的なバンドギャップ半導体では満足するように動作するが、シリコンでは動作しない。なぜなら、シリコンはそのバンドギャップ付近で反射率における通常でなく弱い組織（テキスチャー）を有するからである。これは、シリコンが直接的でないバンドギャップ物質であることによる。
【０００９】
第３のアプローチは、光バンドエネルギー付近の送った光における変化によって半導体の温度を測定する方法である。この方法は純粋なシリコンに対しては動作するが、ワークピース表面上にフィルムを蒸着することにより変更されたシリコンワークピースに対しては動作しない。なぜなら、集積回路に通常蒸着される多くの物質は相当に吸収する、すなわち、不透明（ｏｐａｑｕｅ）であるからである。従ってこのアプローチは、蒸着材料に感受性が高すぎる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、シリコンデバイス製造時のシリコンワークピースの温度を測定し制御する装置を改良する必要がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に従って、シリコンワークピースを処理する装置が反射ＵＶ光を用いて、ワークピース温度を測定、制御する。ＵＶ光を含む線形に偏光したビームは、シリコン表面上に照射され、反射ビームを作る。反射ビームは多くの光をなくすようにクロス偏光され、得られる残りの反射率スペクトルが決定される。このスペクトルの特性から温度が決定される。ワークピース加熱ステーションはこの測定技術を用いて、シリコンワークピースの温度を正確に制御し、５００℃よりも下の温度を含む広い範囲のプロセス温度にわたって温度依存性プロセスを正確に制御する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１には、ワークピース１０の温度を測定する温度測定装置９の概略図を示す。ワークピース１０は、露出したシリコン表面１０ａを有し、マイクロ回路などのデバイスを形成ないし修飾することができるアクティブ表面１０ｂを有することができる。この装置９は、比較的大きな入射角θ（θ＞４５゜）がよい。ワークピース１０のシリコン表面１０ａ上に偏光子１３を通って照射する紫外線の光のビーム１２の光源１１を有する。また、シリコンから反射したビームを受ける装置を有し、これは偏光子１４および分散要素１６、フォトディテクタアレー１７のようなスペクトル解析装置１５を有する。好ましい実施例において、光源１１はジュウテリウム（重水素：ｄｅｕｔｅｒｉｕｍ）ランプであり、波長２５０〜５５０ｎｍの範囲にて紫外線および可視光線を強力に発する。入射角は４５゜〜８０゜がよい。偏光子１３、１４は、線形偏光子がよく、スペクトル解析装置１５は、分散要素１６およびフォトディテクタアレー１７を有する。
【００１３】
動作において、波長範囲２５０〜５５０ｎｍの光がビーム１２としてコリメートレンズ（図示せず）により照射され、偏光子１３を通ってシリコンからの反射された強度が偏光に対して敏感であるような角度θ（最も好ましくはθ＝７０゜）においてシリコン表面へと照射される。偏光子１３は、シリコン表面に平行および垂直である成分を有するように配向された電場ベクトルで線形的に偏光されたビームを作る。適切な偏光方向は、ビーム１２を含みシリコン表面に垂直である入射平面から４５゜の方向である。
【００１４】
反射した光ビームは第２偏光子１４により変えられ、レンズ（図示せず）により集められ、スペクトル解析される。第２偏光子は第１偏光子に対してクロス偏光子として配向され、広い範囲の波長にわたって偏光をなくすように（相当に減らす）される。シリコンの反射率がこの波長範囲においてほぼ一定であるのでこのことが可能となる。これに対し、約４５０ｎｍよりも短い波長において、シリコンの反射率は相当に変化する。ＵＶ範囲におけるシリコンの反射率は、シリコンに固有のものであり、典型的な濃度レベルでは不純物に対して敏感でないような方法で温度に対して変化する。本発明は温度測定のためこれらの変化を用いる。
【００１５】
図２は、シリコン表面から反射する偏光された光の強度を波長の関数として示すグラフ図である。曲線１（上側の曲線）は、第２偏光子１４がゼロとなる状態から遠くに配置されたスペクトルを示す。曲線２（下側の曲線）は、偏光子１４がゼロとなる状態の位置に回転された状態の強度を示す。図で分かるように、ゼロにする偏光子は、反射強度のＵＶ部分を少し残して、可視光および赤外光（波長＞４５０ｎｍ）を実質的に排除している。
【００１６】
各フォトディテクタ（図１のフォトディテクタアレー１７）にて、小さい範囲の波長の光信号がその範囲内の光の量に対応する電気的信号に変換される。強度および複数の異なる波長範囲それぞれにおける波長を示す対の信号の集合がデジタル化されコンピュータ（図示せず）へと送られる。
【００１７】
図３は、図２に示した強度曲線の間の割合が形成した残留反射のプロットを示す。それぞれのＵＶ波長において、曲線２の強度を曲線１の反射強度によって（コンピュータで）割り算した。図で分かるように、ＵＶスペクトルには２つのピークＰ１とＰ２により特徴づけられる。これらのピークはシリコンのバンド間臨界点Ｅ’０とＥ１による。これら２つのピークはシリコンの特性によるもので、これらは温度変化があると位置と幅がずれる。この割合のスペクトルにおける変化は、温度において１０℃変化すると約１％の変化となり、温度変化の直接的な測定を提供する。
【００１８】
コンピュータは残留反射のスペクトル（例えば、図３）を解析し、その情報を温度の値に変換する。ウェハ温度の解析の第１ステップは、較正手順である。ここでは、ウェハに取り付けられた熱電対（ないし他の適切な温度計）および上述の反射光のスペクトルの両方で測定される。適切な波長範囲（例えば、２７０〜６００ｎｍ）にわたる残留反射スペクトルの形は、反射関数の集合およびこれら関数を特徴づける反射変数に当てはめることができる。例えば、非線形最小自乗法を用いるローレンツ関数（Ｌｏｒｅｎｔｚｉａｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）に当てはめることができる。特性を表す変数として、重さ、幅、各関数のピーク波長がある。この反射変数の集合は、温度の連続で記録した（熱電対で測定した）残留反射スペクトルに適用されるのと同じ反射関数を用いて決められる。温度の関数としての得られる反射変数の集合は、温度関数と同様に、およびこれら温度関数を特徴づける温度定数と同様に当てはめられる。そして、反射関数、温度関数、温度定数はコンピュータメモリに記憶される。
【００１９】
シリコンウェハの解析における第２ステップは、測定手順であり、未知の温度におけるワークピースの残留反射スペクトルが測定される。この測定したスペクトルと較正したデータを用いてウェハ温度を決める。測定した残留反射スペクトルは、反射関数（較正に用いたのと同じ関数）に当てはめられ、反射変数を決められる。これらの反射変数は、温度関数と温度定数（較正手順で決めたのと同じ関数および定数）を用いて温度の計算に対して入力としてはたらく。
【００２０】
薄膜コーティングでシリコンウェハの温度を測定することを望むのであれば、そのウェハの状態および較正関数、変数、定数の新しい集合に対して較正プロセスを新しく行う。ウェハ温度を決めるためにシリコン反射を利用するこの手順は、光ビームがシリコンを「見る（ｓｅｅ）」ことを必要とする。すなわち、シリコン上のいかなる薄膜コーティングでも測定波長範囲において実質的に透過性でなければならない。
【００２１】
図４は、図１の装置を用いるシリコンワークピースプロセス装置３９の概略図である。ワークピース１０が制御された環境を包囲するチャンバー４１の中の支持体４０の上に配置されている。チャンバー４１にはウェハを制御しながら加熱するランプのような加熱要素４２を含んでいる。チャンバー４１には、ウェハの上に物質を蒸着する蒸着装置４３がある。この蒸着装置４３は、ＣＶＤ装置、スパッタリング装置、あるいは蒸発（エバポレーション）装置を用いることができる。
【００２２】
チャンバー４１の中で蒸着フィルム（ウェハの下）とはウェハの反対側には、図１の光源１１、偏光子１３、１４、スペクトル解析装置１５からなる温度測定装置９がある。プロセス時に、ウェハの温度を測定し、コンピュータ４４へと温度情報を提供して加熱要素４２を制御するのに温度測定装置９が用いられる。コンピュータ４４は、蒸着装置４３のような温度依存性プロセス装置を制御するために温度情報を用いることができる。温度測定装置９は図１に関連して示したように動作する。このプロセス装置の利点は、５００℃よりも下の温度を含み、あるいはさらに下の室温をも含む広い温度範囲にわたって、ウェハに接触することなしに温度を測定し制御することができることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコンワークピースの温度を測定する装置の概略図。
【図２】異なる温度におけるシリコンウェハから反射した偏光ＵＶ光のスペクトルを表すグラフ図。
【図３】残留反射のスペクトルを表すグラフ図。
【図４】シリコンデバイス製造装置の概略図。
【符号の説明】
９ ワークピースの温度を測定する装置
１０ ワークピース
１０ａ Ｓｉ表面
１０ｂ アクティブ表面
１１ 光源
１２ ビーム
１３、１４ 偏光子
１５ スペクトル解析装置
１６ 分散要素
１７ フォトディテクタアレー
３９ ワークピース処理装置
４０ 支持体
４１ チャンバー
４２ 加熱要素
４３ 蒸着装置
４４ コンピュータ

Claims (9)

1. ワークピースの支持体と、
   紫外線光を含む偏光した光のビームをワークピース上へと照射する光源と、
   ワークピースから反射したビームを受けるスペクトル解析装置と、
   スペクトル解析装置から反射したビームのスペクトルを表す情報を受け、その情報からワークピースの温度を評価するコンピュータと
   を含むことを特徴とするシリコンワークピースを処理するための装置。
2. ワークピースを加熱する制御可能な加熱要素をさらに有し、コンピュータは、スペクトルの情報に応答して、加熱要素を制御する信号を生成することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. ワークピース上に物質を蒸着する制御可能な装置をさらに有し、
   コンピュータは、スペクトルの情報に応答して、物質を蒸着する前記装置を制御する信号を生成することを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記偏光した光のビームは、ワークピースのシリコン表面上に照射される
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 前記偏光した光のビームは、４５゜〜８５゜の範囲の入射角でシリコン表面上に照射されることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 前記光源は、ジュウテリウムランプからなることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 前記スペクトラム解析装置は、光分散要素およびフォトディテクタアレーからなることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 前記光源は、第１の線形偏光子を有し、ワークピースから反射される光路に第２の線形偏光子をさらに有し、第２の偏光子は、偏光した反射光を減少するように配向されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
9. コンピュータは、スペクトルの情報に応答して、温度依存性シリコンデバイス製造プロセスを制御する信号を生成することを特徴とする請求項１記載の装置。

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