JPH11118616A - 温度センサ、測温機能付き半導体ウエハ、および熱電対センサを形成する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 半導体製造装置内のウエハの表面温度を測定
することが可能な、精度の高い、またコストの削減につ
ながる測温機能付き半導体ウエハ、温度センサを提供す
る。また、熱電対センサを形成する方法を提供する。 【解決手段】 温度センサは、ウエハ表面３０上に形成
あるいは配置される熱電対接点４６を有する半導体ウエ
ハ２６を含む。熱電対接点４６は、ウエハ２６上の第１
のパターニングされた導電体３６および導電体３６から
離して設けられた第２のパターニングされた導電体４０
を含み得る。第１および第２のパターニングされた導電
体３６および４０は、オーバーラップ領域において互い
に電気的に接触して熱電対接点４６を形成する。熱電対
接点４６の上方にさらに別の熱電対接点を形成して垂直
方向に積層された複数の熱電対を形成し、これにより、
垂直方向の温度勾配を測定することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、広義には、製造工
程において温度を測定する温度センサデバイスに関し、
より具体的には、測温機能付き半導体ウエハに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハの特に表面における温度
は、半導体製造工程における重要な工程パラメータであ
る。ウエハ表面の温度を制御するには、まずその温度を
正確に測定しなければならない。半導体製造工程中のウ
エハ温度を決定する従来技術による熱電対埋込半導体ウ
エハ(thermocouple-embedded semiconductor wafer)１
０を図１に示す。上面１４を有する半導体基板１２は、
基板１２内に空洞(cavity)１６を有する。２つの互いに
異種である伝導体２０によって形成される熱電対接点１
８は、シース２２で包まれている。シース２２は、空洞
１６内に埋め込まれ、セラミック埋込用化合物(seramic
potting compound)２４によって固定される。冷接点
（図示せず）と熱電対接点１８との間の温度差によっ
て、ミリボルト単位で測定可能な起電力(electromotive
force)が生じる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記図１の従来技術に
よる熱電対埋込半導体ウエハ１０における１つの欠点
は、非経済的で手間のかかる製造工程である。このセン
サの製造には、空洞１６を設けるために基板１２に穴を
形成する工程が含まれる。配線２０によって形成される
熱電対接点１８を手作業で空洞１６内に入れなければな
らず、また、熱電対接点１８を固定するためにセラミッ
ク埋込用化合物２４を空洞１６内に充填しなければなら
ない。さらに、（空洞１６内に適合するように）熱電対
接点１８は小さいので、デバイスは極端に壊れやすい。
さらに、（表面の温度勾配(thermal surface gradient)
を得るために）基板１２の表面１４付近の異なる位置に
おける温度を得たい場合も多く、そのような場合、基板
１２内の熱電対の数が増えるにつれ、このデバイスのコ
ストは劇的に上昇していた。

【０００４】上記従来技術による熱電対埋込半導体ウエ
ハ１０におけるもう１つの欠点は、高温測定の用途にお
いて、このセンサの寿命が限られていることである。熱
電対シース２２をセラミック埋込用化合物２４内に固定
することにより、取り扱いの際に損傷を受けやすい脆い
構造となる。これにより、従来技術による上記温度セン
サを定期的に交換する必要が生じるので、そのコストは
経時的にさらに増加していた。

【０００５】従来技術による上記温度センサのさらに別
の欠点は、熱電対接点１８、熱電対配線２０およびシー
ス２２の質量に起因して、埋め込まれた熱電対接点１８
が、ウエハに熱負荷をかけることである。この熱負荷に
よって、熱電対接点の位置する空洞１６におけるウエハ
温度、およびウエハ表面上のシース２２に沿った部分の
ウエハ温度に乱れが生じて、これにより、温度測定が不
正確になり得る。さらに、ウエハに複数の熱電対接点を
設けたい場合もあり、そのような場合、配線、接点およ
び対応するシースに起因して、ウエハ温度分布にさらな
る乱れが生じるとともに、ウエハの取り扱いが困難にな
っていた。

【０００６】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、半導体製造装置内のウエハの表面温度
を測定することが可能な、精度の高い、またコストの削
減につながる測温機能付き半導体ウエハ、温度センサを
提供すること、および熱電対センサを形成する方法を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による温度センサ
は、半導体ウエハと、該半導体ウエハの表面上の熱電対
接点とを備えた温度センサであって、これにより上記目
的を達成する。

【０００８】前記熱電対接点は、前記半導体ウエハ上に
形成される第１の導電体と、該半導体ウエハ上に形成さ
れる第２の導電体とを備えていてもよく、該第２の導電
体は該第１の導電体から離して設けられ、該第１および
第２の導電体は互いに異種の導電体であり且つオーバー
ラップ領域においては互いに電気的に接触して熱電対接
点を形成していてもよい。

【０００９】前記熱電対接点は、第１の導電体と、該第
１の導電体から離して設けられる第２の導電体とを備え
ていてもよく、該第１および第２の導電体はオーバーラ
ップ領域においては互いに電気的に接触して熱電対接点
を形成していてもよい。

【００１０】前記半導体ウエハと前記熱電対接点との間
に設けられた絶縁層をさらに備えていてもよい。

【００１１】前記熱電対接点に接続され、該熱電対接点
からの電気信号を中継する電気的コネクタをさらに備え
ていてもよい。

【００１２】前記半導体ウエハ上の様々な位置に存在す
る複数の熱電対接点をさらに備え、該複数の熱電対接点
は、該様々な位置における温度の電気的な指標を提供す
るように動作可能であり、これにより、温度マッピング
センサを作成するようにしてもよい。

【００１３】前記熱電対接点上の絶縁層と、該絶縁層上
の第２の熱電対接点とを備えており、これにより、垂直
方向に積層された２つの熱電対を形成し、一方の該熱電
対は該半導体ウエハの前記表面上の温度を感知し、他方
の該熱電対は該半導体ウエハの該表面から所定の高さの
温度を感知するようにしてもよい。

【００１４】また、本発明による測温機能付き半導体ウ
エハは、基板と、該基板上の絶縁層と、該絶縁層上の第
１の導電体と、該絶縁層上に、該第１の導電体から水平
方向に離して設けられる第２の導電体とを備え、該第１
および第２の導電体はオーバーラップ領域において互い
に接触して該ウエハの表面上に熱電対接点を形成する測
温機能付き半導体ウエハであって、これにより上記目的
を達成する。

【００１５】それぞれ対にされる複数の第１および第２
の導電体をさらに備えることにより、該ウエハ表面付近
の異なる位置に複数の熱電対接点を形成し、これによ
り、該ウエハの温度マッピングを行うようにしてもよ
い。

【００１６】前記第１の導電体は、前記オーバーラップ
領域から電気的コネクタに延びるパターニングされたス
トリップを備えていてもよい。

【００１７】前記絶縁層と前記第１および第２の導電体
との間に設けられた拡散バリア層をさらに備え、該拡散
バリア層が、該基板から該第１および第２の導電体への
半導体材料の移動を防ぐようにしてもよい。

【００１８】前記第１および第２の導電体上の保護層を
さらに備え、これにより、該第１および第２の導電体を
汚染あるいは劣化から保護するようにしてもよい。

【００１９】前記第１の導電体はタンタルであり、前記
第２の導電体はニッケルであってもよい。

【００２０】前記第１および第２の導電体は互いに異種
であり且つ熱電対材料を包含していてもよい。

【００２１】前記第１および第２の導電体は互いに異種
であり且つタンタル、ニッケル、ロジウム、鉄、アルミ
ニウム、銅、イリジウム、モリブデン、白金、チタン、
タングステン、金、およびクロムからなる群より選択さ
れるものであってもよい。

【００２２】前記熱電対接点に接続される電気的コネク
タをさらに備え、該電気的コネクタは、該熱電対接点へ
の／からの電気信号を伝達するように動作可能にしても
よい。

【００２３】また、本発明における熱電対センサを形成
する方法は、半導体基板上に絶縁層を形成するステップ
と、該絶縁層上に熱電対接点を形成するステップとを包
含しており、そのことにより上記目的を達成する。

【００２４】半導体基板上に絶縁層を形成する前記ステ
ップは、二酸化シリコン、窒化シリコン、およびアルミ
ナからなる群より選択される絶縁体の堆積を包含してい
てもよい。

【００２５】熱電対接点を形成する前記ステップは、前
記絶縁層上に第１の導電層を堆積させるステップと、該
第１の導電層をパターニングすることにより、端部を有
する導電ストリップを形成するステップと、該導電スト
リップ上に第２の絶縁層を形成するステップと、該第２
の絶縁層をパターニングすることにより、該第１の導電
ストリップの該端にまで到達する穴を該第２の絶縁層中
に形成するステップと、該第２の絶縁層上に第２の導電
層を堆積させるステップであって、該第２の導電層は該
第１の導電層とは異種の導電材料であり、且つ、該第２
の導電層は、該第２の絶縁層中の該穴を介して該第１の
導電ストリップに電気的に接触して熱電対接点を形成す
るステップと、該第２の導電層をパターニングすること
により、第２の導電ストリップを形成するステップとを
包含していてもよい。

【００２６】熱電対接点を形成する前記ステップは、前
記絶縁層上に第１の導電体を形成するステップと、該絶
縁層上に第２の導電体を形成するステップとを包含して
いてもよく、該第２の導電体は該第１の導電体から水平
方向に離して設けられ、該第１の導電体とは異種であ
り、且つ終端点において該第１の導電体に電気的に接触
するようにしてもよい。

【００２７】前記第１および第２の導電体上に絶縁層を
形成するステップをさらに包含し、これにより、前記終
端点以外において該第１および第２の導電体が互いに電
気的な分離を維持するとともに、該第１および第２の導
電体を汚染あるいは劣化から保護するようにしてもよ
い。

【００２８】熱電対接点を形成する前記ステップは、前
記絶縁層上に第１の導電層および第２の導電層を形成す
るステップと、該第１および第２の導電層に対してエッ
チングを行うことにより第１および第２のパターニング
された導電ストリップを形成するステップとを包含して
いてもよく、該第１および第２の導電ストリップは、互
いに離して設けられるとともに互いに異種であり、且つ
終端点において互いに電気的に接触するようにしてもよ
い。

【００２９】あるいは、本発明による温度センサは、半
導体ウエハと、該半導体ウエハ上に形成され、互いに電
気的に絶縁された複数の熱電対とを備え、これらによっ
て、該半導体ウエハ上に垂直方向に積層された熱電対を
形成し、該複数の熱電対は、該半導体ウエハ上の複数の
高さにおける温度を感知するように動作可能であり、こ
れにより、垂直方向の温度勾配を得る温度センサであっ
て、これにより上記目的を達成する。

【００３０】あるいは、本発明による温度センサは、半
導体ウエハと、該半導体ウエハ上に堆積およびパターニ
ングされた第１の導電体と、該第１の導電体上に形成お
よびパターニングされた絶縁層であって、該絶縁層中に
おいて該第１の導電体の一方の端部の上に穴を有する絶
縁層と、該絶縁層上に堆積およびパターニングされた第
２の導電体であって、該穴を介して該第１の導電体と電
気的に接触して熱電対接点を形成する第２の導電体とを
備えた温度センサであって、これにより上記目的を達成
する。

【００３１】

【発明の実施の形態】本発明による測温機能付き半導体
ウエハは、半導体ウエハ上に形成あるいは配置される熱
電対を有する。熱電対が半導体ウエハの表面上にあるこ
とによって、半導体ウエハ内の垂直方向の温度勾配を考
慮しなくても、ウエハ表面温度を正確に決定することが
できる。半導体製造技術を用いて表面上に熱電対を形成
すれば、熱電対接点およびそれに付随するリード線の質
量を従来技術による離散的な熱電対の質量よりも小さく
することができるので、熱負荷に起因する誤差も低減さ
れる。半導体ウエハ表面上の様々な位置に上記のような
熱電対を複数形成および配置し、これにより、半導体ウ
エハの熱的表面プロファイル(thermal surface profil
e)をマッピングする（即ち、分布を決定する）ことが可
能になる。

【００３２】半導体基板上に電気的絶縁材料を形成し、
その後、この絶縁材料上に２つの互いに異種の導電材料
をパターニングすることによって、上記熱電対を形成す
ることができる。２つの互いに異種の導電材料は、その
２つの互いに異種の導電材料が互いにオーバーラップし
て電気的に接触することによって熱電対接点を形成して
いるオーバーラップ領域を除いては、互いに水平方向に
離して設けられる（従って、互いに電気的に分離されて
いる）。汚染あるいは劣化から熱電対を保護する保護層
によって熱電対を覆ってもよい。保護層は電気的には絶
縁性であり、これによって、上記導電材料の電気的分離
が（接点を除いて）さらに維持される。また、保護層は
熱伝導性であり、これにより、熱電対接点によって実際
のウエハ表面温度を正確に測定することが可能になる。

【００３３】本発明による熱電対センサを形成する方法
には、半導体ウエハの表面上に熱電対を形成あるいは配
置する工程が含まれる。半導体ウエハの表面上に熱電対
を形成する工程は、第１および第２の互いに異種の導電
材料を絶縁材料上で互いに水平方向に離して形成する工
程を含む。パターニングされた第１および第２の導電体
はオーバーラップ領域において互いに重なって電気的に
接触し、これにより、熱電対接点を形成する。同様に、
半導体ウエハ表面付近の様々な位置にこのような熱電対
を複数形成することが可能であり、これにより、半導体
ウエハ表面上の熱的表面プロファイルのマッピングが可
能になる。

【００３４】図２は、本発明による測温機能付き半導体
ウエハ２６の斜視図である。測温機能付き半導体ウエハ
２６は、上面３０を有する半導体基板２８を含む。ある
いは、基板２８は、アルミナ、ガラス、セラミクス等の
他の材料を含み得る。複数の熱電対３２が、ウエハ基板
２８上に形成されている。各熱電対３２は、上面３０上
に形成される第１の導電ストリップ３６を有する。第１
の導電ストリップ３６の一端は第１のボンドパッド３８
にある。第２の導電ストリップ４０は、第１の導電スト
リップ３６から水平方向に離して設けられ、その一端は
第２のボンドパッド４２にある。第１および第２の導電
ストリップ３６および４０の他方の端は共に、領域４４
内にある。領域４４内で導電ストリップ３６および４０
がオーバーラップし、互いに電気的に接触して熱電対接
点４６を形成している。他の熱電対３２も、ウエハ表面
３０上での位置が異なるだけで、その構造および形状は
同じであってよい。

【００３５】好適な実施形態においては、図２の測温機
能付き半導体ウエハ２６は、ウエハコネクタ固定具(waf
er connector fixture)４８をも有する。ウエハコネク
タ固定具４８は、応力除去クランプ(stress relief cla
mp)５０および互いに結合されているウエハコネクタ５
２を有する。ウエハコネクタ固定具４８は、半導体ウエ
ハ２６と、それぞれ２本の配線５６を有する複数の熱電
対配線シース５４とを保持する。応力除去クランプ５０
およびウエハコネクタ５２は、複数の熱電対シース５４
を保持して、これらをウエハ２６に対して固定する。こ
の特徴により、耐久性が向上し、操作者がどのように取
り扱っても使用可能な状態が維持される。各熱電対シー
ス５４内の各２本の配線５６の内、第１の配線は熱電対
３２の第１のボンドパッド３８に、そして、その第２の
配線は熱電対３２の第２のボンドパッド４２に電気的に
接続する。好適な実施形態においては、２本の配線５６
をそれぞれのボンドパッド３８および４２に対して溶接
して純遷移(pure transition)を得ることにより、共融
合金(eutectics)に伴う問題を回避するとともに、遷移
における均質性を維持する。コネクタ５８を各熱電対シ
ース５４に接続することにより、熱電対接点４６を変換
回路（図示せず）に電気的に接続する。動作中、測温機
能付き半導体ウエハ２６の熱電対接点４６は、熱電対接
点４６とその他端（例えば、冷接点）との間の温度差を
感知して、ミリボルト単位の起電力を発生させる。この
電圧の大きさは、温度差の関数であり、熱電対接点４６
における温度を表す温度値に変換される。あるいは、上
記複数の熱電対シース５４を平行型コネクタ(parallel-
type connector)まで延ばして、上記変換回路と電気的
に連絡させてもよい。

【００３６】図３は、半導体製造装置６０内に設置され
た測温機能付き半導体ウエハ２６を示す側面図である。
コネクタ５８は、フィードスルー(feedthrough)５９を
介して、装置６０の外部で変換回路に電気的に接続され
る。本実施例では、スパッタリング装置を示している
が、本発明はあらゆる種類の半導体製造装置に適用可能
である。

【００３７】図４は、図２の熱電対３２の中の１つにお
ける、熱電対接点４６が形成される端部領域４４を示す
拡大斜視図である。図示されているように、第１の導電
体３６は第２の導電体４０から水平方向に離してその長
手方向に沿って設けられている。第１の導電体３６およ
び第２の導電体４０は、端部領域４４で湾曲して互いに
近づき、オーバーラップ領域４６において互いに電気的
に接触して熱電対接点４６を形成する。好適な実施形態
においては、一方の導電体３６はタンタルであり、他方
の導電体４０はニッケルである。合金内の組成の均一性
を維持することは困難であり、また、合金の熱電特性は
その組成に強く依存するので、導電体３６および４０は
純粋金属であることが好ましい。純粋物質を用いること
によって、導電体３６および４０と２本の配線５６との
適合性も向上する。

【００３８】図５は、図４の点線６２に沿った断面図で
ある。この位置では、導電体３６および４０は互いに水
平方向に離して設けられており、且つ、互いに電気的に
分離されている。半導体基板２８上には絶縁層６６があ
り、その上に、堆積およびパターニングによって導電体
３６および４０が形成される。好適な実施形態において
は、両導電体３６および４０の上に保護層６８が設けら
れる。保護層６８は、熱電対が動作するために必ず必要
なものではなく、任意に省略可能であるが、保護層６８
を用いれば、導電体３６および４０を汚染あるいは劣化
から保護することが可能である。好ましくは、保護層６
８はアルミナである。

【００３９】図６は、上記と同様に図４の点線６２に沿
った、別の実施形態を示す断面図である。この実施形態
は、絶縁層６６上に拡散バリア層７０が設けられている
ことを除いては、図５に示される実施形態と実質的に同
じである。拡散バリア層７０は好ましくはアルミナであ
る。拡散バリア層７０を用いて、ウエハ基板２８からの
半導体物質の移動を防ぐことにより、導電体３６および
４０の汚染を防ぐことが可能である。

【００４０】図７は、図４の点線６４に沿った断面図で
あり、端部領域４４を示す。オーバーラップ領域におい
て、導電体３６および４０は互いにオーバーラップして
電気的に接触している。オーバーラップ領域は、絶縁層
６６によってウエハ基板２８から絶縁されるとともに、
保護層６８によって覆われる。

【００４１】図８ａ〜図８ｈは、半導体ウエハ基板２８
の表面３０上に熱電対を形成するための好適な方法であ
るシャドウマスキング膜蒸着工程(shadowmasking film
deposition process)を示す部分断面図である。図８ａ
において、スチーム(steam)等の標準的な酸化型工程(ox
idation-type process)あるいは他の公知の半導体製造
工程を用いて、シリコンでできていてもよいウエハ基板
２８を絶縁層６６で覆う。絶縁層６６は、二酸化シリコ
ンあるいは窒化シリコンであり得る。他の種類の絶縁材
料を用いることも可能である。絶縁層６６によって、後
に絶縁層６６上に形成される熱電対接点４６は、半導体
ウエハ基板２８に伴うあらゆる電気的干渉から絶縁され
る。

【００４２】図８ｂにおいて、第１のマスクテンプレー
ト(mask template)７２を、絶縁層６６上に配置する。
マスクテンプレート７２は、その後に形成される材料
を、絶縁層６６に選択的に接触させる。その後、図８ｃ
に示されるように、第１の導電層７３を、マスクテンプ
レート７２と絶縁層６６の露出部分との上に堆積させ
る。その後、マスクテンプレート７２を除去すると、第
１の導電体３６が図８ｄに示されるように残る。

【００４３】図８ｅにおいて、第２のマスクテンプレー
ト７４を第１の導電体３６上に配置する。マスクテンプ
レート７４は、その後に形成される材料を、第１の導電
体３６および絶縁層６６に選択的に接触させる。その
後、図８ｆに示されるように、第２の導電層７５を、マ
スクテンプレート７４と、第１の導電体３６および絶縁
層６６の露出部分との上に堆積させる。その後、マスク
テンプレート７４を除去すると、図８ｇに示されるよう
に、第２の導電体４０が第１の導電体３６上に残り、熱
電対接点４６が形成される。その後、図８ｈに示される
ように、保護層６８を第１および第２の導電体３６およ
び４０上に堆積させる。

【００４４】図９ａ〜図９ｉは、フォトリソグラフィ技
術を用いて半導体ウエハ基板２８の表面３０上に熱電対
を形成する別の方法を示す部分断面図である。図９ａに
おいて、スチーム等の標準的な酸化型工程あるいは他の
公知の半導体製造工程を用いて、ウエハ基板２８を絶縁
層６６で覆う。絶縁層６６は、二酸化シリコンあるいは
窒化シリコンであり得る。他の種類の絶縁材料を用いる
ことも可能である。絶縁層６６によって、後に絶縁層６
６上に形成される熱電対接点４６が、半導体ウエハ基板
２８に伴うあらゆる電気的干渉から絶縁される。

【００４５】図９ｂにおいて、化学蒸着（ＣＶＤ）技
術、スパッタ蒸着技術あるいは他の公知の半導体製造工
程を用いて、第１の導電層７６を絶縁層６６上に堆積さ
せる。その後、図９ｃに示されるように、フォトレジス
ト７７を第１の導電層７６上に堆積させ、これにパター
ニングを行うことによってフォトマスクを形成する。膜
の均一性のために、導電体の厚さは少なくとも１０００
オングストロームであるのが好ましい。その後、第１の
導電層７６を露光し、その後、これにドライ反応性イオ
ンエッチング工程、化学エッチング工程あるいは他の公
知の半導体製造工程を用いて図９ｄに示されるように第
１の導電体３６を形成する。

【００４６】図９ｅにおいて、第１の導電層７６と同様
に、表面上に第２の導電層７８を形成する。第１の導電
層７６の場合と同様に、第２の導電層７８上に第２のフ
ォトレジスト７９を形成し、これにパターニングを行っ
て、図９ｆに示されるようなフォトマスクを形成する。
その後、第１の導電層７６の場合と同様に、第２の導電
層７８を露光し、これにエッチングを行うことによっ
て、図９ｇに示されるような第２の導電体４０を形成す
る。図９ｈにおいて、第１および第２のフォトレジスト
７７および７９を除去すると、第１および第２の導電体
３６および４０が、互いに水平方向に離して設けられ、
互いに電気的に分離した状態で残る（但し、端部領域４
４を除く。図７に示すように、端部領域４４において
は、第１および第２の導電体３６および４０は、パター
ニングによって互いにオーバーラップして電気的に接触
している）。その後、図９ｉに示されるように、保護層
６８を第１および第２の導電体３６および４０上に堆積
させる。

【００４７】図１０は、半導体ウエハ２８の表面３０上
に熱電対８０が垂直方向に製造された、本発明の別の実
施形態を示す断面図である。熱電対８０は、基板２８上
に形成された絶縁層６６を有する。シャドウマスキング
あるいはフォトリソグラフィ技術のいずれかを用いて、
堆積およびパターニングによって第１の導電体８２を絶
縁層６６上に形成する。第１の導電体８２にまで到達す
る穴８５が第１の導電体８２の端部において形成される
ように、堆積およびパターニングによって第２の絶縁層
８４を第１の導電体８２上に形成する。第１の導電体８
２の露出している端部に電気的に接触するように第２の
導電体８６を第２の絶縁層８４上に堆積およびパターニ
ングし、これにより、熱電対接点８７を形成する。第２
の導電体８６上に、任意に省略可能な第３の絶縁層８８
を堆積させてもよい。

【００４８】図１０に示される、垂直方向に製造された
熱電対８０は、熱電対８０の２つの導電体８２および８
６が、互いに対して、水平方向にではなく垂直方向に設
けられている点で、図５の熱電対３４とは異なる。これ
により、熱電対８０のために必要となる水平方向の表面
積が減少し、ウエハ２８の表面上に上記のような熱電対
８０をより多数形成することができるという利点が得ら
れる。

【００４９】図１１は、半導体基板２８上に垂直方向に
積層された複数の熱電対８９を示す断面図である。この
断面図は、図５と同様に、複数の熱電対８９を形成する
導電体が互いに水平方向に離して設けられている位置に
沿ったものである。図７に示されるものと同様に、複数
の熱電対８９を形成する導電体は、端部領域４４におい
て電気的に接触し、これにより熱電対接点を形成してい
る。図１１において、基板２８の上に絶縁層６６が設け
られている。第１および第２の導電体３６および４０
は、パターニングによって絶縁層６６上に形成されると
ともに、保護層６８で覆われている。この例では、保護
層６８は、第２の絶縁層として機能する。同様に、第３
および第４の導電体９０および９２は、パターニングに
よって第２の絶縁層６８上に形成されるとともに、第３
の絶縁層９４で覆われている。第３および第４の導電体
９０および９２によって、第１の熱電対の上方に第２の
熱電対が形成される。図示されているように、第３およ
び第４の熱電対が、初めの２つの熱電対の上に同様の方
法で形成される。当業者には周知であるように、複数の
熱電対８９のそれぞれに対する選択的な電気的接触は、
コンタクトおよびビアのパターンを通して得ることがで
きる。複数の熱電対８９によって、半導体ウエハ内の所
定の深さにおける温度の測定が可能になるとともに、垂
直方向の温度勾配のマッピングを行うことが可能にな
る。

【００５０】本発明によって、図１に示される従来技術
によるウエハ１０の欠点が克服される。例えば、図３に
示される測温機能付き半導体ウエハ２６を半導体製造装
置６０内に配置した場合、熱電対接点４６が半導体ウエ
ハ２６の表面上にあるので、測温機能付き半導体ウエハ
２６によって、ウエハ表面における温度が正確に感知さ
れる。このように本発明によれば、垂直方向の温度勾配
に起因する誤差が回避されるので、ウエハ内に垂直方向
に埋め込まれた熱電対デバイスにおける誤差が排除され
る。

【００５１】測温機能付き半導体ウエハ２６は、熱負荷
に起因する誤差も実質的に低減する。シャドウマスキン
グあるいはフォトリソグラフィ等の半導体処理技術を用
いて、第１および第２の導電体３６および４０を半導体
ウエハ２６の表面３０上に形成することによって、熱電
対接点４６自体の質量を、配線接続およびセラミック埋
込用化合物によって熱電対接点（図１の従来技術におけ
る接点１８および接着剤２４）を形成する従来技術によ
るセンサの質量よりも実質的に小さくすることができ
る。熱電対接点４６の質量の実質的な低減によって、熱
負荷が低減される。さらに、測温機能付き半導体ウエハ
２６によって、半導体ウエハ２６上の（図１の従来技術
の）熱電対シース２２が排除される。本発明では、その
代わりに、第１および第２の導電体３６および４０を利
用してウエハ表面３０に沿って電気信号を中継してい
る。導電ストリップ３６および４０の質量は、従来技術
による半導体ウエハ上のシース２２の質量よりも十分に
小さく、これにより、従来技術による熱電対センサに比
べて熱負荷がさらに低減される。ウエハ上に複数の熱電
対接点３２を形成すれば、熱負荷の低減量はさらに大き
くなる。

【００５２】測温機能付き半導体ウエハ２６は、ＲＴＤ
（抵抗温度検知器）に対する実質的なパフォーマンスの
向上をももたらす。熱電対半導体ウエハ２６によれば、
最高２４００℃の温度を正確に測定することができる
が、ＲＴＤによって精度が保証されるのは最高６５０℃
までである。従って、１２００℃にも達し得る多くの半
導体処理工程にＲＴＤは適さない。さらに、測温機能付
き半導体ウエハ２６は熱電対接点を多数含むように形成
することができるが、ＲＴＤはこれよりも制限されてい
る。ＲＴＤは正確な抵抗の測定に依存しているので、リ
ード線の抵抗を最小化するために、太いリード線を抵抗
器まで延ばす必要がある。このような太いリード線はス
ペースをとるので、多数の感知抵抗器を利用することが
できなくなる。

【００５３】図１１に示される別の実施形態において
は、複数の熱電対８９によって半導体ウエハ内の垂直方
向の温度勾配のマッピングを行うことが可能になる。絶
縁層および導電層のそれぞれの高さを決定することがで
きるので、各熱電対の垂直方向の深さが分かる。垂直方
向の温度勾配は、半導体処理においては貴重な情報であ
る。なぜなら、表面温度は現処理工程にとって重要であ
るが、基板２８内の様々な深さにおける温度は前処理工
程にとって重要であるからである。例えば、前に注入工
程を行ってある領域を形成した場合、その後の高温を伴
う処理工程によって、その領域が垂直方向および水平方
向に拡散する。半導体回路設計者は、予期されるその領
域の拡散の程度を知っておく必要がある。複数の熱電対
８９によって、その拡散を正確に予測することが可能に
なる。なぜなら、その垂直方向の深さ（ｄ₁〜ｄ₄）に配
置された熱電対によって、その深さでの温度が決定され
るからである。複数の熱電対８９によって、工程全体の
試験を行うことが可能になる。垂直方向の温度が予期さ
れる値から大幅に逸脱した場合、その逸脱は、表面上の
熱電対の故障あるいはその他の種類の工程不良(process
failure)を示唆するものであり得る。従って、複数の
熱電対８９によって、処理の信頼性が向上する。

【００５４】本発明を、いくつかの好適な実施形態のコ
ンテキストにおいて記載したが、さらに別の実施形態も
本発明の範囲内に入る。例えば、タンタルおよびニッケ
ル以外の互いに異種の導電材料を第１および第２の導電
体３６および４０として用いることができる。例えば、
ロジウム、鉄、アルミニウム、銅、イリジウム、モリブ
デン、白金、チタン、タングステン、金、およびクロム
等を用いることができる。さらに、合金およびドープ金
属ならびに他の材料を用いることも可能である。変換回
路の複雑さを最低限に抑えるためには、長手方向に沿っ
て一定した組成を有する合金およびドープ金属を用いる
ことが望ましい。さらに、導電体３６および４０を汚染
あるいは基板２８からの移動から十分に保護する保護層
６８および拡散バリア層７０として、アルミナ以外の絶
縁材料を用いることができる。このような材料の例とし
て、二酸化シリコンあるいは窒化シリコンが挙げられ
る。さらに、これらの材料の組合せを利用することも可
能である。

【００５５】説明の便宜上、本発明のいくつかの実施形
態を開示したが、前記請求項に規定される本発明の範囲
および主旨から逸脱することなく様々な改変、追加およ
び代替が可能であることが当業者には理解される。

【００５６】

【発明の効果】本発明による測温機能付き半導体ウエハ
は、半導体ウエハ上に形成あるいは配置された熱電対を
有する。熱電対が半導体ウエハの表面上にあることによ
って、半導体ウエハ内の垂直方向の温度勾配を考慮しな
くても、ウエハの表面温度を正確に決定することができ
る。半導体製造技術を用いてウエハの表面上に熱電対を
形成すれば、熱電対接点およびそれに付随するリード線
の質量を従来技術による離散的な熱電対の質量よりも小
さくすることができるので、熱負荷に起因する誤差も低
減される。本発明による熱電対センサを形成する方法に
より、半導体ウエハ表面上の様々な位置に上記のような
熱電対を複数形成および配置することにより、半導体ウ
エハの熱的表面プロファイルをマッピングすることが可
能になる。

【００５７】本発明による垂直方向に製造された熱電対
は、熱電対の２つの導電体およびが、互いに対して、水
平方向にではなく垂直方向に設けられている。これによ
り、熱電対のために必要となる水平方向の表面積が減少
し、ウエハ表面上に熱電対をより多数形成することがで
きるという利点が得られる。

【００５８】本発明による垂直方向に積層された複数の
熱電対によって半導体ウエハ内の垂直方向の温度勾配の
マッピングを行うことが可能になる。これにより、工程
全体の試験を行うことが可能になり、処理の信頼性が向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術による熱電対埋込半導体ウエハを示す
部分断面図である。

【図２】半導体ウエハ表面上に形成された複数の熱電対
接点を有する測温機能付き半導体ウエハを示す斜視図で
ある。

【図３】半導体製造装置内にある温度計付きウエハを示
す側面図である。

【図４】図２に示される半導体ウエハ表面上の熱電対接
点を示す拡大部分斜視図である。

【図５】半導体ウエハ上に形成された熱電対を示す、図
４の点線６２に沿った部分断面図である。

【図６】半導体ウエハ表面上に形成された熱電対が、熱
電対と半導体基板との間に設けられた拡散バリア層を有
する本発明の別の実施形態を示す、図５に類似の部分断
面図である。

【図７】２つの互いに異種の導電材料が電気的に接触し
て熱電対接点を形成している終端点を示す、図４の点線
６４に沿った部分断面図である。

【図８ａ】本発明による温度計付きウエハを形成するた
めの半導体シャドウマスキング製造工程におけるステッ
プを示す部分断面図である。

【図８ｂ】本発明による温度計付きウエハを形成するた
めの半導体シャドウマスキング製造工程におけるステッ
プを示す部分断面図である。

【図８ｃ】本発明による温度計付きウエハを形成するた
めの半導体シャドウマスキング製造工程におけるステッ
プを示す部分断面図である。

【図８ｄ】本発明による温度計付きウエハを形成するた
めの半導体シャドウマスキング製造工程におけるステッ
プを示す部分断面図である。

【図８ｅ】本発明による温度計付きウエハを形成するた
めの半導体シャドウマスキング製造工程におけるステッ
プを示す部分断面図である。

【図８ｆ】本発明による温度計付きウエハを形成するた
めの半導体シャドウマスキング製造工程におけるステッ
プを示す部分断面図である。

【図８ｇ】本発明による温度計付きウエハを形成するた
めの半導体シャドウマスキング製造工程におけるステッ
プを示す部分断面図である。

【図８ｈ】本発明による温度計付きウエハを形成するた
めの半導体シャドウマスキング製造工程におけるステッ
プを示す部分断面図である。

【図９ａ】本発明による測温機能付き半導体ウエハを形
成するための半導体フォトリソグラフィ製造工程におけ
るステップを示す部分断面図である。

【図９ｂ】本発明による測温機能付き半導体ウエハを形
成するための半導体フォトリソグラフィ製造工程におけ
るステップを示す部分断面図である。

【図９ｃ】本発明による測温機能付き半導体ウエハを形
成するための半導体フォトリソグラフィ製造工程におけ
るステップを示す部分断面図である。

【図９ｄ】本発明による測温機能付き半導体ウエハを形
成するための半導体フォトリソグラフィ製造工程におけ
るステップを示す部分断面図である。

【図９ｅ】本発明による測温機能付き半導体ウエハを形
成するための半導体フォトリソグラフィ製造工程におけ
るステップを示す部分断面図である。

【図９ｆ】本発明による測温機能付き半導体ウエハを形
成するための半導体フォトリソグラフィ製造工程におけ
るステップを示す部分断面図である。

【図９ｇ】本発明による測温機能付き半導体ウエハを形
成するための半導体フォトリソグラフィ製造工程におけ
るステップを示す部分断面図である。

【図９ｈ】本発明による測温機能付き半導体ウエハを形
成するための半導体フォトリソグラフィ製造工程におけ
るステップを示す部分断面図である。

【図９ｉ】本発明による測温機能付き半導体ウエハを形
成するための半導体フォトリソグラフィ製造工程におけ
るステップを示す部分断面図である。

【図１０】半導体ウエハ表面上に垂直方向に製造された
熱電対を示す部分断面図である。

【図１１】半導体ウエハ上に垂直方向に積層された熱電
対を示す部分断面図である。

【符号の説明】

２６ 測温機能付き半導体ウエハ ２８ 半導体基板 ３０ ウエハ表面 ３２ 熱電対 ３４ 熱電対 ３６ 第１の導電体 ３８ 第１のボンドパッド ４０ 第２の導電体 ４２ 第２のボンドパッド ４４ 端部領域 ４６ 熱電対接点 ４８ ウエハコネクタ固定具 ５０ 応力除去クランプ ５２ ウエハコネクタ ５４ 熱電対配線シース ５６ 配線 ５８ コネクタ ５９ フィードスルー ６０ 半導体製造装置 ６６ 絶縁層 ６８ 保護層 ７０ 拡散バリア層 ７２ 第１のマスクテンプレート ７３ 第１の導電層 ７４ 第２のマスクテンプレート ７５ 第２の導電層 ７６ 第１の導電層 ７７ 第１のフォトレジスト ７８ 第２の導電層 ７９ 第２のフォトレジスト ８０ 垂直方向に製造された熱電対 ８２ 第１の導電体 ８４ 第２の絶縁層 ８６ 第２の導電体 ８７ 熱電対接点 ８８ 第３の絶縁層 ８９ 垂直方向に積層された複数の熱電対 ９０ 第３の導電体 ９２ 第４の導電体 ９４ 第３の絶縁層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597136179 5710 Ｋｅｎｏｓｈａ Ｓｔｒｅｅｔ， Ｒｉｃｈｍｏｎｄ， Ｉｌｌｉｎｏｉｓ 60071，Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 ウィリアム シー． シュー アメリカ合衆国 ウィスコンシン 53115, デラバン， マシュー ストリート 218 (72)発明者 デイビッド ピー． カルバートソン アメリカ合衆国 ウィスコンシン 53104, ブリストル， 203アールディー アベ ニュー 8222

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハと、 該半導体ウエハの表面上の熱電対接点(thermocouple ju
   nction)と、を備えた、温度センサ。
2. 【請求項２】 前記熱電対接点は、 前記半導体ウエハ上に形成される第１の導電体と、 該半導体ウエハ上に形成される第２の導電体と、を備え
   ており、 該第２の導電体は該第１の導電体から離して設けられ、
   該第１および第２の導電体は互いに異種の導電体であり
   且つオーバーラップ領域においては互いに電気的に接触
   して熱電対接点を形成する、請求項１に記載のセンサ。
3. 【請求項３】 前記熱電対接点は、 第１の導電体と、 該第１の導電体から離して設けられる第２の導電体と、
   を備えており、該第１および第２の導電体はオーバーラ
   ップ領域においては互いに電気的に接触して熱電対接点
   を形成する、請求項１に記載のセンサ。
4. 【請求項４】 前記半導体ウエハと前記熱電対接点との
   間に設けられた絶縁層をさらに備えた、請求項１に記載
   のセンサ。
5. 【請求項５】 前記熱電対接点に接続され、該熱電対接
   点からの電気信号を中継する電気的コネクタをさらに備
   えた、請求項１に記載のセンサ。
6. 【請求項６】 前記半導体ウエハ上の様々な位置に存在
   する複数の熱電対接点をさらに備え、該複数の熱電対接
   点は、該様々な位置における温度の電気的な指標を提供
   するように動作可能であり、これにより、温度マッピン
   グセンサを作成する、請求項１に記載のセンサ。
7. 【請求項７】 前記熱電対接点上の絶縁層と、 該絶縁層上の第２の熱電対接点と、を備えており、これ
   により、垂直方向に積層された２つの熱電対を形成し、
   一方の該熱電対は該半導体ウエハの前記表面上の温度を
   感知し、他方の該熱電対は該半導体ウエハの該表面から
   所定の高さの温度を感知する、請求項１に記載のセン
   サ。
8. 【請求項８】 基板と、 該基板上の絶縁層と、 該絶縁層上の第１の導電体と、 該絶縁層上に、該第１の導電体から水平方向に離して設
   けられる第２の導電体と、を備え、該第１および第２の
   導電体はオーバーラップ領域において互いに接触して該
   ウエハの表面上に熱電対接点を形成する、測温機能付き
   半導体ウエハ(temperature instrumented semiconducto
   r wafer)。
9. 【請求項９】 それぞれ対にされる複数の第１および第
   ２の導電体をさらに備えることにより、該ウエハ表面付
   近の異なる位置に複数の熱電対接点を形成し、これによ
   り、該ウエハの温度マッピングを行う、請求項８に記載
   のウエハ。
10. 【請求項１０】 前記第１の導電体は、前記オーバーラ
    ップ領域から電気的コネクタに延びるパターニングされ
    たストリップを備えている、請求項８に記載のウエハ。
11. 【請求項１１】 前記絶縁層と前記第１および第２の導
    電体との間に設けられた拡散バリア層をさらに備え、該
    拡散バリア層は、該基板から該第１および第２の導電体
    への半導体材料の移動を防ぐ、請求項８に記載のウエ
    ハ。
12. 【請求項１２】 前記第１および第２の導電体上の保護
    層をさらに備え、これにより、該第１および第２の導電
    体を汚染(contamination)あるいは劣化から保護する、
    請求項８に記載のウエハ。
13. 【請求項１３】 前記第１の導電体はタンタルであり、
    前記第２の導電体はニッケルである、請求項８に記載の
    ウエハ。
14. 【請求項１４】 前記第１および第２の導電体は互いに
    異種であり且つ熱電対材料を包含する、請求項８に記載
    のウエハ。
15. 【請求項１５】 前記第１および第２の導電体は互いに
    異種であり且つタンタル、ニッケル、ロジウム、鉄、ア
    ルミニウム、銅、イリジウム、モリブデン、白金、チタ
    ン、タングステン、金、およびクロムからなる群より選
    択される、請求項８に記載のウエハ。
16. 【請求項１６】 前記熱電対接点に接続される電気的コ
    ネクタをさらに備え、該電気的コネクタは、該熱電対接
    点への／からの電気信号を伝達するように動作可能であ
    る、請求項８に記載のウエハ。
17. 【請求項１７】 半導体基板上に絶縁層を形成するステ
    ップと、 該絶縁層上に熱電対接点を形成するステップと、を包含
    する、熱電対センサを形成する方法。
18. 【請求項１８】 半導体基板上に絶縁層を形成する前記
    ステップは、二酸化シリコン、窒化シリコン、およびア
    ルミナからなる群より選択される絶縁体の堆積を包含す
    る、請求項１７に記載の方法。
19. 【請求項１９】 熱電対接点を形成する前記ステップ
    は、 前記絶縁層上に第１の導電層を堆積させるステップと、 該第１の導電層をパターニングすることにより、端部を
    有する導電ストリップを形成するステップと、 該導電ストリップ上に第２の絶縁層を形成するステップ
    と、 該第２の絶縁層をパターニングすることにより、該第１
    の導電ストリップの該端にまで到達する穴を該第２の絶
    縁層中に形成するステップと、 該第２の絶縁層上に第２の導電層を堆積させるステップ
    であって、該第２の導電層は該第１の導電層とは異種の
    導電材料であり、且つ、該第２の導電層は、該第２の絶
    縁層中の該穴を介して該第１の導電ストリップに電気的
    に接触して熱電対接点を形成するステップと、 該第２の導電層をパターニングすることにより、第２の
    導電ストリップを形成するステップと、を包含する、請
    求項１７に記載の方法。
20. 【請求項２０】 熱電対接点を形成する前記ステップ
    は、 前記絶縁層上に第１の導電体を形成するステップと、 該絶縁層上に第２の導電体を形成するステップと、を包
    含し、該第２の導電体は該第１の導電体から水平方向に
    離して設けられ、該第１の導電体とは異種であり、且つ
    終端点において該第１の導電体に電気的に接触する、請
    求項１７に記載の方法。
21. 【請求項２１】 前記第１および第２の導電体上に絶縁
    層を形成するステップをさらに包含し、これにより、前
    記終端点以外において該第１および第２の導電体が互い
    に電気的な分離を維持するとともに、該第１および第２
    の導電体を汚染あるいは劣化から保護する、請求項２０
    に記載の方法。
22. 【請求項２２】 熱電対接点を形成する前記ステップ
    は、 前記絶縁層上に第１の導電層および第２の導電層を形成
    するステップと、 該第１および第２の導電層に対してエッチングを行うこ
    とにより第１および第２のパターニングされた導電スト
    リップを形成するステップと、を包含し、該第１および
    第２の導電ストリップは、互いに離して設けられるとと
    もに互いに異種であり、且つ終端点において互いに電気
    的に接触する、請求項１７に記載の方法。
23. 【請求項２３】 半導体ウエハと、 該半導体ウエハ上に形成され、互いに電気的に絶縁され
    た複数の熱電対と、を備え、これらによって、該半導体
    ウエハ上に垂直方向に積層された熱電対を形成し、該複
    数の熱電対は、該半導体ウエハ上の複数の高さにおける
    温度を感知するように動作可能であり、これにより、垂
    直方向の温度勾配(vertical thermalgradient)を得る、
    温度センサ。
24. 【請求項２４】 半導体ウエハと、 該半導体ウエハ上に堆積およびパターニングされた第１
    の導電体と、 該第１の導電体上に形成およびパターニングされた絶縁
    層であって、該絶縁層中において該第１の導電体の一方
    の端部の上に穴を有する絶縁層と、 該絶縁層上に堆積およびパターニングされた第２の導電
    体であって、該穴を介して該第１の導電体と電気的に接
    触して熱電対接点を形成する第２の導電体と、を備え
    た、温度センサ。