JPH0770580B2 - 基板表面の温度測定方法およびそれを利用した半導体成膜方法とその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板、特にシリ
コン基板に結晶成長させ薄膜を形成する際に、適用され
る基板表面温度を測定する基板表面の測定方法およびそ
れを利用した半導体成膜方法とその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、半導体基板であるシリコン基板に
半導体薄膜を形成するには、加熱されたシリコン基板上
にシラン系ガスを供給し、このシラン系ガスの熱分解お
よび表面での化学反応を利用して行なわれていた。ま
た、この基板に成膜する際には、基板温度で化学反応の
進行速度が決定されるので、面内に均一な膜厚の良質な
膜を得るために温度制御の正確さが必要不可欠の条件で
あった。特に、最近のＬＳＩの微細化に伴なう堆積膜の
薄膜化および低廉価を図るための基板の大口径化によ
り、益々精密な温度制御が要求されてきている。

【０００３】従来、この種の半導体成膜装置は、減圧さ
れた反応管内に載置されたシリコン基板を反応管外より
赤外線ランプで加熱し、反応管内に反応ガスであるＳｉ
Ｈ₂Ｃｌ₂ （以下ジクロルシランと呼ぶ）及び水素を導
入し反応させ、シリコン基板にシリコン半導体薄膜を形
成していた。また、成膜中に加熱されたシリコン基板の
温度測定には、熱電対による測定方法が採用されてい
た。

【０００４】図６は従来のシリコン基板表面の温度測定
方法の一例を説明するための成膜装置の基板載置部を示
す側面図である。このシリコン基板の表面の温度測定方
法は、例えば、図６に示すように、シリコン基板２０を
載置するシリコンカーバイトで表面が塗布されたグラフ
ァイト製のサセプタ１０の小孔２５に挿入された熱電対
２４によってシリコン基板２０の温度を検知し、この熱
電対２４で検知された温度は、電圧として出力され反応
管外部の電圧計に入力し温度として読み取る方法が採ら
れていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の成膜に
おける基板表面の温度測定方法では、基板に損傷しない
ように基板に直接熱電対を接触することが無いものの、
熱電対が測定しているのは基板そのものの温度でなくサ
セプタ内部の温度である。このため、膜の堆積に際して
キャリアガス等の流れにより基板表面温度が低下したに
もかかわらず、サセプタ内部に配置された熱電対は高温
のままであったり、正確な基板表面温度が測定すること
ができない。ましては、基板の温度分布を測定すること
は殆度不可能に近い。さらに、このように検知される温
度が不正確なもので基板温度を制御することは難しく正
確に制御することが出来なかった。このことは、基板温
度の変化に対して指数関数的に変化する膜厚を制御する
ことが困難にし薄膜の形成における再現性が悪くなるば
かりでなく面内に均一な良質な半導体薄膜が得られない
という問題がある。

【０００６】従って、本発明の目的は、基板温度および
面内の温度分布を精度良く測定できるようにし、これに
より、基板面内に均一な膜厚で良質なシリコン半導体薄
膜を再現性良く形成できる半導体成膜方法およびその装
置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の特徴は、
シリコン基板表面のダングリングボンドに起因する光吸
収体に対し該光吸収体に吸収され得る波長を有する平行
偏向された光を照射し、前記シリコン基板へ化学吸着さ
れる原子を含む反応ガスの供給および停止を行ない前記
シリコン基板表面からの反射光強度を測定し該反射光強
度の時間に対する変化を求め、求められた前記反射光強
度の減衰の時定数と前記原子の離脱速度の温度依存性の
既知のデータとを照合し前記シリコン基板表面の温度を
測定する基板表面の温度測定方法である。

【０００８】本発明の第２の特徴は、上述したシリコン
基板表面の温度測定方法を用いて該シリコン基板表面の
温度を測定を行ないながらシリコンの結晶を成長させ薄
膜を形成する半導体成膜方法である。

【０００９】本発明の第３の特徴は、シリコン基板を載
置する機構部を収納し該シリコン基板を加熱する加熱手
段と前記シリコン基板に化学吸着される原子を含む反応
ガスの供給・停止を行なう手段と該反応ガスの圧力を所
定の圧力に維持する減圧ポンプを具備する反応室と、前
記シリコン基板表面のダングリングボンドに起因する光
吸収体に対し該光吸収体に吸収され得る波長を有する平
行偏向された光を前記シリコン基板表面に照射する照射
手段と、前記シリコン基板表面からの反射光を受光する
受光手段と、この受光手段により得られた反射光強度デ
ータにより該反射光強度の減衰の時定数を求め該時定数
と前記原子の離脱速度の温度依存性の既知のデータを照
合して前記シリコン基板表面の温度を算出する計算手段
を備える半導体成膜装置である。

【００１０】

【作用】通常、平行偏向した光をシリコン基板面に照射
すると、その反射光強度は表面の状態に極めて敏感に変
化する。例えば、シリコン基板に異種原子が吸着されて
いない清浄な表面では、ダングリングボンドに起因する
光吸収帯が存在する。この吸収帯に吸収される波長をも
つ光を照射すると、光が吸収される結果反射光強度が低
下する。一方、塩化水素、ジクロルシランあるいはシラ
ン等を含むガスをシリコン基板に供給すると、ダングリ
ングボンドと結び易い塩素原子あるいは水素原子がシリ
コン基板表面と化学結合して吸着され、表面のダングリ
ングボンドの数が減少する。その結果、吸収帯で吸収さ
れる光量が減少し逆に反射光強度が増す。また、ガスの
供給を停止すると、シリコン基板表面に吸着された塩素
あるいは水素原子が熱の作用により離脱し、再び清浄な
表面が現れ反射光強度が減少する。

【００１１】図５はガス供給停止後における時間の経過
による反射光強度の減少度を示すグラフである。上述し
たように吸着した原子の離脱によって、ダングリングボ
ンドの数が増加に伴ない、吸収帯に吸収される光量が増
加し、反射光強度は逆に減少する。例えば、使用するガ
スがジクロルシランであれば、図５に示すように、（１
００）面であるシリコン基板表面にジクロルシランを供
給を停止した後、反射率で示した反射光強度が指数関数
的に減少する。ここで、停止後の経過時間に対する反射
率の変化を式で示すと以下になる。

【００１２】Ｒ（ｔ）＝Ｃ₁ ｅｘｐ（−ｔ／τ） ここで、Ｒ（ｔ）は、ガス供給を停止した後の時間ｔに
おける反射率、Ｃ₁ は定数、τは離脱の時定数である。
また、離脱の時定数τと基板温度の関係は次の式で与え
られる。

【００１３】τ（Ｔ）＝Ｃ₂ ｅｘｐ（Ｅ／ｋＴ） ここで、Ｔは基板の絶対温度、τ（Ｔ）は基板温度Ｔに
おける離脱の時定数、ｋはボルツマン定数である。Ｅは
離脱の活性化エネルギーであり、上記系の場合は２１ｋ
Ｃａｌ／ｍｏｌである。

【００１４】そこで試みに、シリコン基板に平行偏向さ
れたアルゴンレーザを照射し、その反射光強度の時間経
過による変化を測定し離脱の時定数τを求めた。そし
て、予め既知であるこの時定数と温度の関係から測定温
度を求めた。その結果、実際に熱電対をシリコン基板表
面に接触させて測定した場合と比較してみたところ、±
５％以内の誤差範囲で一致した。

【００１５】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１６】図１は本発明の第１の実施例を説明するた
めの半導体成膜装置を示す模式図である。この半導体成
膜装置は、図１に示すように、シリコン基板２０を載置
するサセプタ１０を収納する反応管４と、この反応管４
の外部に配置されシリコン基板２０を加熱する赤外線ラ
ンプ５と、反応管４のガス導入口７から反応ガスを供給
・停止を仕さどる図示していないマスフローメータ及び
バルブと、導入された前記反応ガスの圧力を一定に維持
する真空ポンプ６とを備えている一種の減圧型ＣＶＤ装
置である。

【００１７】また、この装置には、反応管４の窓８を通
して平行偏向された光をシリコン基板２０に投光する照
射部１ａと、シリコン基板２０からの反射光を窓９を介
して受光する受光部２ａと、この受光部２ａより得られ
た反射光の減衰の時定数と予め記憶されたシリコン基板
２０に吸着する原子の離脱速度の温度依存性の既知のデ
ータとを照合して基板表面の温度を算出する温度換算部
３が設けられている。

【００１８】照射部１ａは、レーザ光を発生するアルゴ
ンガスのレーザ発振器１５と、レーザ光を基板表面に対
して平行偏向する偏向子１４と、レーザ光をパルス光に
するチョッパー１３と、パルス状のレーザ光を反射させ
窓８を介して反応管４内に入光させるミラー１１とで構
成されている。また、受光部２ａはシリコン基板２０か
らの反射光を窓９を通して入光し一方向に反射するミラ
ー１２と、ミラー１２からの反射光を受光する光検出器
１６とを有している。さらに、温度換算部３は、光検出
器１６からの反射光強度信号を増幅するロックインアン
プ１７と、増幅された反射光強度信号値で反射光の減衰
の時定数を算出しこの時定数と予め記憶されたシリコン
基板２０に吸着する原子の離脱速度の温度依存性の既知
のデータとを照合して基板表面の温度を算出するコンピ
ュータ１９と、算出された温度を表示する表示部１９を
備えている。

【００１９】次に、この装置による基板表面温度の測定
方法およびそれを利用した成膜方法について装置の動作
の説明を交えて説明する。まず、希釈されたフッ酸洗浄
あるいは反応管内で９００度以上の熱処理によって自然
酸化膜が除去されたシリコン基板を準備し、サセプタ１
０に載置する。次に、反応管４を真空ポンプで減圧し、
レーザ発振器１５よりレーザ光を発生させ、発生したレ
ーザ光を偏向子１４で平行偏向し、Ｓ／Ｎ比を向上する
ためにチョッパー１３でレーザ光をパルス光にする。そ
して、ミラー１１でレーザ光を反射させ窓８を通してシ
リコン基板２０の表面に投光する。なお、シリコン基板
２０への入射角は反射光強度が最大になるように設定し
ておくことである。

【００２０】図２はシリコン基板の表面（１００）にジ
クロシランを供給・停止した場合の反射光強度を示すグ
ラフである。次に、反応管４のガス導入口７より、例え
ば、ジクロルシランを導入し、清浄なシリコン基板２０
の表面（１００）に供給し真空ポンプ６で排気し約２０
Ｔｏｒｒの圧力に維持する。このことにより表面が塩素
で被覆され、図２に示すように、平行偏向されたレーザ
光の反射光強度が増加し所定の時間経過後飽和する。次
に、ジクロルシランの供給を停止すると、反射光強度が
減少する。この反射光強度を光検出器１６で信号値の大
きさで出力し、ロックインアンプ１７に入力して増幅す
る。そして、温度によって反射光強度が減少する仕方が
異なる信号値をコンピュータ１８に順次入力させ、演算
処理して減衰の時定数を求める。引続き、記憶された減
衰の時定数における温度依存性の既知のデータと照合
し、シリコン基板２０の表面温度を求める。

【００２１】さらに、ジクロルシランおよび水素ガスで
エピタキシアル成長中に、ある一定時間の間隔において
原料ガスの供給を停止し、反射光の現象から温度を測定
し、その後、再び原料ガスを供給する。このような動作
を成膜中に繰返して行ない、基板温度を精密に測定し、
赤外線ランプ５の出力を制御し温度制御を行なう。

【００２２】以上本実施例では、ジクロルシランをシリ
コン基板に供給して、基板表面を塩素で終端したが、Ｓ
ｉＨ₂ Ｃｌ₂ 等ハロゲン原子とシリコン原子からなる他
の分子あるいはＨＣｌ、Ｃｌ₂ 等ハロゲンおよび水素、
ハロゲンのみからなる分子によっても同様にシリコン基
板表面がハロゲン原子により終端され同様な効果が得ら
れる。さらに、ＳｉＨ₄ 等シリコンと水素からなる分子
を供給しても、表面に存在するダングリングボンドが水
素により終端され反射率が増加する。すなわち、この水
素の離脱に対応する反射率の減衰を測定することにより
基板表面の温度を測定することが出来る。

【００２３】図３は本発明の第２の実施例を説明するた
めの半導体成膜装置を示す模式図である。この半導体成
膜装置は、基板表面の温度測定用の光照射部において、
平行波と垂直波とを含む光をシリコン基板表面に照射し
たことである。すなわち、図３に示すように、レーザ発
振器１５から発生するレーザ光はチョッパー１３でパル
ス化し、偏向子１４ａで基板表面に対して４５度に偏向
され、ミラー１１で反射されシリコン基板２０に投射さ
れる。シリコン基板２０からの反射光は、ミラー１２よ
り反射されポーラライズトスプリッター２１により垂直
波と平行波に分離される。分離された反射光は、それぞ
れの光検出器１６ａ，１６ｂに入光する。入光した反射
光は光検出器１６ａおよび１６ｂで電流信号に変換さ
れ、それぞれのロックインアンプ１７ａ，１７ｂで増幅
されコンピュータ１８に入力され前述の実施例と同様に
演算され、基板表面の温度が算出される。

【００２４】このように投射する光に垂直波を含ませた
ことは、情報をもつ平行波の信号強度を本来情報をもた
ない垂直波の信号強度で規格化するためである。すなわ
ち、平行波と垂直波の反射光を照射してそれぞれの反射
光を測定することにより、垂直波による反射光の信号成
分を取除き、レーザ光強度の変動等のノイズ成分を除去
することである。従って、この実施例による光照射系に
よれば、前述の実施例と比較してＳ／Ｎ比の高い信号強
度が得られ、基板表面温度をより高精度で測定できると
いう利点がある。

【００２５】ちなみに、ジクロルシランをシリコン基板
２０に供給および停止の動作を行ない温度測定を試みて
みた。その結果、前述の実施例と同様に反射率の減衰の
時定数から決定された温度と、熱電対を基板表面に接触
させ測定した温度とを比較したところ、５００°Ｃ〜１
０００°Ｃの温度範囲で両者の相違は最大で５°Ｃであ
った。

【００２６】なお、この実施例では、光源としてアルゴ
ンガスレーザ発振器のレーザ光を用いたが、このレーザ
光に限定されるものではない。要はシリコン基板表面に
存在するダングリングボンドによる光吸収帯で吸収され
る波長をもつ光であれば良い。例えば、この波長をもつ
ランプでも良いし、白色光をバンドパスフィルターでこ
の波長よもつ光を抽出しても良い。

【００２７】図４は本発明の第３の実施例を説明するた
めの温度測定用の光源光路を示す図である。この半導体
成膜装置は、温度測定用の光源光路における照射側に回
転ミラー２２ａを配置し、この回転ミラー２２ａの回転
角を変えることにより光をシリコン基板２０の任意の位
置に照射できる。また、受光部側には反射光の方向を変
える回転ミラー２２ｂと回転して反射光の方向を揃える
反転ミラー２３が設けるれている。このことによりシリ
コン基板２０の総べての位置からの反射光は同一の光検
出器１６ｃに入光される。

【００２８】このように、基板表面の任意の場所の温度
を測定することが可能となり、基板表面における温度分
布は、シリコン基板表面に投射される光スポットの直径
程度の分解能で測定出来る。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、シリコン
基板表面のダングリングボンドに起因する光吸収体に対
し該光吸収体に吸収され得る波長を有する平行偏向され
た光を照射する光照射部と、前記シリコン基板に化学吸
着される原子を含む反応ガスの供給および停止を行ない
前記シリコン基板表面からの反射光強度を測定する受光
部と、該反射光強度の時間に対する変化を求めて前記反
射光強度の減衰の時定数を演算しこの時定数と前記原子
の離脱速度の温度依存性の既知のデータとを照合し前記
シリコン基板表面の温度を算出する計算手段とを設ける
ことによって、シリコン基板を損傷することなく精度よ
く基板温度を測定することが出来、これによってシリコ
ン基板温度を正確に制御することが可能となり、面内に
均一な良質のシリコン薄膜を再現性良く成長できるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を説明するための半導体
成膜装置を示す模式図である。

【図２】シリコン基板の表面（１００）にジクロシラン
を供給・停止した場合の反射光強度を示すグラフであ
る。

【図３】本発明の第２の実施例を説明するための半導体
成膜装置を示す模式図である。

【図４】本発明の第３の実施例を説明するための温度測
定用の光源光路を示す図である。

【図５】ガス供給停止後における時間の経過による反射
光強度の減少度を示すグラフである。

【図６】従来のシリコン基板表面の温度測定方法の一例
を説明するための成膜装置の基板載置部を示す側面図で
ある。

【符号の説明】 １ａ，１ｂ 照射部 ２ａ，２ｂ 受光部 ３ａ，３ｂ 温度換算部 ４ 反応管 ５ 赤外線ランプ ６ 真空ポンプ ７ ガス導入口 ８，９ 窓 １０ サセプタ １１，１２ ミラー １３ チョッパー １４，１４ａ 偏光子 １５ レーザ発振器 １６，１６ａ，１６ｂ 光検出器 １７，１７ａ，１７ｂ ロックインアンプ １８ コンピュータ １９ 表示部 ２０ シリコン基板 ２１ ポーラライズドスプリッター ２２ａ，２２ｂ 回転ミラー ２３ 反転ミラー ２４ 熱電対 ２５ 小孔

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板表面のダングリングボンド
   に起因する光吸収体に対し該光吸収体に吸収され得る波
   長を有する平行偏向された光を照射し、前記シリコン基
   板へ化学吸着される原子を含む反応ガスの供給および停
   止を行ない前記シリコン基板表面からの反射光強度を測
   定し該反射光強度の時間に対する変化を求め、求められ
   た前記反射光強度の減衰の時定数と前記原子の離脱速度
   の温度依存性の既知のデータとを照合し前記シリコン基
   板表面の温度を測定することを特徴とする基板表面の温
   度測定方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のシリコン基板表面の温度
   測定方法を用いて該シリコン基板表面の温度を測定を行
   ないながらシリコンの結晶を成長させ薄膜を形成するこ
   とを特徴とする半導体成膜方法。
3. 【請求項３】 シリコン基板を載置する機構部を収納し
   該シリコン基板を加熱する加熱手段と前記シリコン基板
   に化学吸着される原子を含む反応ガスの供給・停止を行
   なう手段と該反応ガスの圧力を所定の圧力に維持する減
   圧ポンプを具備する反応室と、前記シリコン基板表面の
   ダングリングボンドに起因する光吸収体に対し該光吸収
   体に吸収され得る波長を有する平行偏向された光を前記
   シリコン基板表面に照射する照射手段と、前記シリコン
   基板表面からの反射光を受光する受光手段と、この受光
   手段により得られた反射光強度データにより該反射光強
   度の減衰の時定数を求め該時定数と前記原子の離脱速度
   の温度依存性の既知のデータを照合して前記シリコン基
   板表面の温度を算出する計算手段を備えることを特徴と
   する半導体成膜装置。
4. 【請求項４】前記照射手段からの前記光を前記シリコン
   基板に走査する手段を備えることを特徴とする請求項３
   記載の半導体成膜装置。