JPH07240378A - 半導体薄膜製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 真空容器１と；前記真空容器内に設けられた
基板加熱用ヒーター２と；前記基板加熱用ヒーターに対
向して配置され少なくとも一部に水素終端化されたシリ
コン表面を露出した基板３と；前記基板の表面温度を測
定する放射温度計５と；前記水素終端化シリコン表面か
ら離脱する水素分子の温度分布曲線を取得する水素分子
分圧測定機能部７と；この水素分子分圧測定機能部によ
り得られた温度分布曲線によって前記放射温度計の測定
誤差に補正を施す補正機能部を有するコントローラ８と
を具備したことを特徴とする半導体薄膜製造装置。 【効果】 本発明が提供する半導体薄膜製造装置によ
り、パターンの違いや放射光の干渉による放射温度計の
測定誤差の補正が可能になり、再現性良く半導体薄膜を
製造することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体薄膜製造装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体薄膜成長の工程では、熱反応を利
用した工程が多く用いられている。熱反応を利用した薄
膜の成長において、基板温度はこれにもっとも大きく影
響するパラメーターの１つである。このため、これら熱
反応を制御するためには半導体基板の温度管理が非常に
重要であり、正確な基板表面温度の測定法が必要とされ
ている。従来の熱反応を利用した工程では、炉全体を加
熱する熱容量の大きいホットウォール炉がその製造装置
として主に用いられていた。この場合には炉全体の温度
を安定させれば、炉内は熱的に平衡な状態になり、熱電
対などを用いて炉の温度を測定することにより基板表面
の温度を再現性良くモニターすることができるために、
容易にその熱反応を制御することができた。

【０００３】しかし、近年、プロセスの清浄化、高精度
化の目的で到達真空度が１０^-6Ｐａ以下の超高真空を利
用した工程が、多く用いられるようになってきた。この
場合、容器内には熱媒体となる気体分子がなく、容器と
してステンレス鋼を用いていることが多いので、ホット
ウォール炉は利用することはできない。そのため、この
工程では、ヒーターを容器内部に設置し、直接基板を加
熱するコールドウォール炉が装置として用いられてい
る。この装置は炉内が熱的に平衡ではないために、ホッ
トウォール炉の場合のように基板表面温度を容易に、か
つ正確に測定することができず、熱反応を制御するとい
う点で問題を生じている。

【０００４】これまでに、超高真空中での基板表面の温
度測定の有力な手段として、放射温度計が多く用いられ
てきた。この測定法は、物質から放射される赤外光のス
ペクトルがその物質の温度の関数で表せることを利用し
たもので、加熱された物質表面から放射される赤外線強
度を測定し、これを温度に変換するものである。ここ
で、一般に物質の温度と放射光の線強度の関係はそれぞ
れ物質及びその表面状態に固有のものである。

【０００５】他方、シリコンの選択エピタキシャル成長
技術が近年注目を集めているが、このような半導体製造
工程で用いられるシリコン基板は一般に、酸化物、窒化
物などで表面が覆われた上に回路パターンが刻まれ、こ
の刻まれた部分だけが結晶シリコンが露出しているとい
うものである。つまり、基板表面上には２つ以上の異な
る物質からなる領域が混在しているのである。

【０００６】このような基板の表面温度を放射温度計で
測定するためには、従来のコールドウォール炉を用いた
装置においては、表面の状態に応じて物質の温度と放射
光のスペクトルの関係を補正し直す必要がある。つま
り、異なる回路パターンを持つ基板を用いるときは、そ
の簡便な補正の方法はなく、その補正は基板ごとに行う
必要があった。さらに、表面上の回路パターンは一様で
はないために、同一パターンの基板を用いる際にも放射
温度計でモニターする位置によって、測定の再現性に問
題を生ずることがある。

【０００７】さらに、物質からの放射光によって温度を
測定する際に不可避な問題は、成膜過程での膜厚増加に
伴い、成膜した薄膜表面からの放射光と、基板−薄膜界
面からの放射光が干渉することによって、放射温度計の
温度値が振動することである。このような成膜を行う過
程では、正確な基板表面温度が測定できなくなる。

【０００８】このように、基板表面温度を再現性良く測
定できない装置では、半導体基板の温度管理が難しく、
熱反応の制御という点で重大な問題を生ずる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】これまでに述べたよう
に、従来のコールドウォール炉を用いた装置では、パタ
ーンが刻まれたような表面状態の一様でないシリコン基
板、あるいは成膜により膜厚が変化した場合の温度を再
現性良く測定することができないために、この工程にお
ける熱反応の制御が非常に困難であった。

【００１０】本発明は、超高真空中でのシリコン基板の
表面温度を簡便に、かつ再現性良く測定する機能を備
え、この工程で用いる熱反応の制御を可能にする半導体
薄膜製造装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】現在シリコン基板の前処
理として、ＨＦによるウェットエッチングが多く用いら
れているが、この処理を施したシリコン基板表面は、Ｈ
原子で終端化されていることが知られている。基板を加
熱することにより、この表面のＨ原子は、３７５℃付近
からＨ₂ 分子として脱離し始め、６００℃付近で完全に
脱離する。（Stephen M. Gate, Roderick R. Kunz, C.
Michael Greenlief; Surf. Sci. 207 364(1989) 本発明に関わる半導体薄膜製造装置は、少なくとも一部
にシリコン表面を露出した基板と、この表面から３７５
℃以上で熱脱離する水素分子の脱離量の温度分布を測定
する機能を備え、さらにこの温度分布曲線を用いて、基
板の表面温度を測定するための放射温度計を補正する機
能を備えているという特徴を有する。

【００１２】

【作用】水素分子の脱離量の温度分布曲線によって放射
温度計を校正することにより、シリコン基板のパターン
の違いや、成膜中の膜厚増加に伴う放射温度計の測定誤
差を簡便に補正することができる。これにより、基板表
面温度を正確に測定することが可能となり、成膜中の熱
反応を制御することができる。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の実施例につき図面を参照し
て説明する。

【００１４】図１に本発明に係る半導体薄膜製造装置を
断面図で示す。図１における１は一例のステンレスで構
成された真空容器で、基板加熱用ヒーター２と、これに
対向して水素終端化されたシリコンの基板３が配置され
ている。４は真空ポンプ、例えばターボ分子ポンプであ
り、前記真空容器１内を排気する。また、７は質量分析
計であり、これを用いて基板表面から脱離する水素分子
の量を測定することができる。さらにコントローラ８に
よってヒーター２、放射温度計５、質量分析計７を制御
することができ、これにより水素脱離量の温度分布曲線
を取得し、放射温度計５の読みを補正することができ
る。

【００１５】上記一例の装置により次のようにして放射
温度計に対しコントローラの補正機能部１０により補正
を施し、正確な表面温度の測定を可能にすることによっ
て、再現性良く半導体薄膜の成長が行われる。すなわ
ち、表面を水素原子で終端化したパターン付きのシリコ
ン基板３を、ヒーター２により約３００℃から６００℃
まで加熱したときに質量分析計７を用いて得られる水素
脱離量の温度分布曲線が、図２に示される。このときの
温度値（Ｔｐｙｒｏ）は放射温度計によって測定したも
のであるが、温度分布曲線の二つのピーク値は４００
℃、５００℃であることが分かる。しかし、これら２つ
のピークの正確な値は、４２５℃、５２０℃であること
がこれまでに明らかになっている。そこでコントローラ
ー８により放射温度計５の測定値が４２５℃、５２０℃
となるように校正を行う。この操作により、放射温度計
は正しい基板表面温度の値を示し、パターンの違いに関
わらず、再現性よく薄膜を成長させることが可能になっ
た。

【００１６】図３に前記パターン付き基板の上に約２０
０ｎｍに厚さに成膜したものを約３００℃から６００℃
まで加熱したときに得られる水素脱離量の温度分布を示
す。このときの校正前の放射温度計による２つのピーク
の測定値（Ｔｐｙｒｏ）は、放射光の干渉により４７０
℃、３７０℃と先の例よりもさらに大きくシフトしてい
ることがわかる。この場合にもコントローラー８によっ
て校正を行うことにより、放射温度計はやはり正しい基
板表面温度の値を示す。これにより、放射光の干渉が起
こるような厚さの薄膜を成長させた後の工程においても
正確な基板表面温度の測定が可能となった。

【００１７】以上に示した例は、水素の脱離量を測定す
る際に質量分析計を用いたが、容器１が超高真空装置の
場合には、ベース圧が約１０^-6Ｐａと十分低いために基
板の昇温中は水素分子が容器内で支配的な分子種とな
る。そこでこの場合には、質量分析計７の代わりに、よ
り簡便な電離真空計などの全圧真空計を用いることによ
っても水素の脱離量を定量することができる。さらに容
器１が常圧ＣＶＤなどのように減圧系でない場合にも、
大気圧質量分析計を用いることにより水素の脱離量の定
量を行なうことができる。

【００１８】（実施例２）以下、本発明の別の実施例に
つき図面を参照して説明する。

【００１９】図４に本発明に係る半導体薄膜製造装置を
断面図で示す。図４における１は一例のステンレスで構
成された真空容器で、基板加熱用ヒーター２と、これに
対向して水素終端化されたシリコンの基板３が配置され
ている。４は真空ポンプ、例えばターボ分子ポンプであ
り、メカニカルブースタポンプ１４，ロータリポンプ２
４で背圧を保ち前記真空容器１内を排気する。

【００２０】また、真空容器１内の全圧を測定するため
に電離真空計１７が設けられている。なお、２７はピラ
ニ真空計で、前記ターボ分子ポンプ４の背圧を測定す
る。

【００２１】上記一例の半導体薄膜製造装置により、水
素で表面を終端化したシリコン基板３を真空容器１内に
図４に示す如く配置し、３７５℃から６００℃の範囲の
加熱を施し、上記電離真空計１７で全圧を測定し、付設
された記録装置２０に記録する。この記録結果を図５に
例示する。この結果は基板表面の温度を反映して水素分
子の離脱に起因する容器内の圧力変化を示すものに他な
らず、前記引用文献に示された技術における「基板温度
に対応して水素離脱量が変化すること」と一致する。ま
た、二つのピーク温度は４２５℃、５２０℃であること
が明らかになっているので、これを用いて基板の温度測
定を行う事ができる。真空度が１０^-6Ｐａ程度の超高真
空容器中では、この水素分子が支配的な種となるので、
電離真空計１７で容器内の圧力変化を、またはピラニ真
空計２７でポンプ背圧の変化を測定する簡便な手段によ
って水素分子の離脱量を測定することができる。また、
基板が、その表面にパターンが刻まれたような一様でな
い表面状態の場合についても、水素分子の離脱は表面温
度と対応するので再現性よく表面温度を測定できる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればパ
ターンの違い、放射光の干渉による放射温度計の測定誤
差を簡便に補正することが可能であり、再現性良く半導
体薄膜の製造が可能になるという顕著な利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施例の半導体薄膜製造装置の
断面図。

【図２】水素終端化したパターン付きシリコン基板の昇
温に伴う水素分子の脱離量の変化を示す線図。ここでＴ
ｐｙｒｏは補正前の放射温度計による測定値、Ｔ′ｐｒ
ｙｏ＝Ｔｓｕｂは補正後の放射温度計による測定値（真
の基板表面温度）。

【図３】約２００ｎｍの厚さの薄膜を成長させたシリコ
ン基板の昇温に伴う水素分子の脱離量の変化を示す線
図。Ｔｐｙｒｏ、Ｔ′ｐｙｒｏ＝Ｔｓｕｂは図２と同
じ。

【図４】本発明に係る別の一実施例の半導体薄膜製造装
置の断面図。

【図５】基板の温度変化に伴なう真空容器内真空度の変
化を示す線図。

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ 基板加熱用ヒーター ３ 基板 ４，１４，２４ 真空ポンプ ５ 放射温度計 ６ ビューポート ７ 質量分析計 ８ コントローラー １７ 電離真空計 ２７ ピラニ真空計 ２０ 記録装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器と；前記真空容器内に設けられ
   た基板加熱用ヒーターと；前記基板加熱用ヒーターに対
   向して配置され少なくとも一部に水素終端化されたシリ
   コン表面を露出した基板と；前記基板の表面温度を測定
   する放射温度計と；前記水素終端化シリコン表面から離
   脱する水素分子の温度分布曲線を取得する水素分子分圧
   測定機能部と；この水素分子分圧測定機能部により得ら
   れた温度分布曲線によって前記放射温度計の測定誤差に
   補正を施す補正機能部を有するコントローラとを具備し
   たことを特徴とする半導体薄膜製造装置。
2. 【請求項２】 真空容器と、前記真空容器内に設けられ
   た基板加熱用ヒーターと、前記基板加熱用ヒーターの温
   度調整を行うコントローラと、前記基板加熱用ヒーター
   に対向して配置され少なくとも一部に水素終端化された
   シリコン表面を露出した基板と、前記基板の昇温により
   熱離脱する水素分子の分圧が全圧を支配する高真空度に
   前記真空容器内を排気する排気装置と、基板を３７５℃
   以上に加熱しその温度分布に対応し真空容器内の真空度
   を測定する真空計と、前記真空計による測定全圧値を表
   面温度に変換する機能部とを具備したことを特徴とする
   半導体薄膜製造装置。