JPH11163070A - 半導体装置製造の熱処理工程における温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光照射強度により基板毎の輻射率が異なると
基板温度の正確な測定が難しくなるため、光照射強度を
変える閉回路制御の実施は困難であった。 【解決手段】 光源１１３からの光照射により加熱され
る基板５１の温度を熱電対１１により接触式に計測する
もので、加熱手段に光源１１３を有する加熱炉内に収容
される温度測定装置１を用いた温度制御方法であって、
その温度測定装置１は、その熱電対１２の被覆部材２１
における、基板５１との接触部周辺（測温部被覆部材２
２）は熱伝導率の高い材料で形成され、その接触部周辺
を除く被覆部材２１（線部被覆部材２３）は光透過率の
高い材料または光反射率の高い材料で形成されたもので
あり、その温度測定装置１を用いて基板５１の温度を測
定する工程と、その測定した値を光源１１３の出力にフ
ィードバックする閉回路制御を行う工程とを備えた温度
制御方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置製造の
熱処理工程における温度制御方法に関し、詳しくは閉回
路制御による温度制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの微細化にともな
いＭＯＳデバイスでは、短チャネル効果を抑制するた
め、バイポーラデバイスでは遮断周波数ｆ_T を向上さ
せるために、浅い接合を高精度に形成する必要性が生じ
ている。そして浅い接合を形成する方法の一つとして、
高温で短時間の処理が可能な光照射による加熱方法（Ｒ
ＴＡ：Rapid Thermal Annealing ）が採用されている。
またＲＴＡは、イオン注入により生じた結晶欠陥の回復
やシンター等の各種アニーリング、酸化膜、窒化膜の形
成にも利用されている。そのため、さまざまな膜構造を
有する基板、さまざまな不純物濃度を有する基板等に対
し、基板温度を正確に制御することが極めて重要になっ
ている。

【０００３】しかし、光照射による基板加熱では、膜構
造や膜質、不純物濃度等により基板の輻射率が変化する
ため、光の照射強度が一定〔開回路制御（Open Loop Co
ntrol ）〕のもとでは、基板の光吸収量（処理温度）が
変化することになる。そのため、製造工程の複雑化にと
もない、各種ばらつき（膜厚、膜質、不純物量、構造等
によるばらつき）を含む基板の加熱状態を精度よく制御
することは極めて難しい。さらに基板加熱装置を構成す
る石英チューブの光透過率やチャンバの内壁の光反射
率、光源となるランプの出力の経時的な変化等によって
基板の処理温度が変化する。この問題に対処するため、
基板の温度を測定してその測定値をランプの出力にフィ
ードバックする閉回路制御（Closed Loop Control ）が
検討されている。これにより、精度の高い基板温度の測
定が実現できれば、優れた基板温度制御が可能になる。

【０００４】また、基板の温度を測定する装置としては
放射温度計がある。この放射温度計は非接触で温度測定
ができる利点がある。別の温度測定装置としては熱電対
がある。熱電対で温度測定する場合には、基板の表面に
熱電対を直接接触させる方法、耐熱性接着剤を用いて基
板の表面に熱電対を固定する方法等がある。これらの方
法は、熱電対の測温部（合金部）が基板に直接接触する
ので、基板温度をほぼ正確に測定することができるとい
う長所を有する。

【０００５】他の温度測定装置としては、シリコンカー
バイド（ＳｉＣ）からなる被覆部材に熱電対を内挿し、
その熱電対を被覆部材を介して基板に接触させて、基板
温度を間接的に測定する装置が特開平４−１４８５４６
号公報に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記放
射温度計を用いた温度測定では、熱電対を用いた接触式
の温度測定方法と異なり、測定対象の表面状態によって
測定精度が左右されたり、測定環境の影響を強く受け
る。そのため、様々な膜構造や不純物濃度を持つ基板で
は基板毎に輻射率が異なり、正確な温度測定を行うこと
が困難である。

【０００７】また、基板に熱電対を直接接触させて温度
測定する方法では、基板と熱電対との反応による熱電対
の劣化、基板の金属汚染等の問題が発生する。

【０００８】さらに被覆部材に内装した熱電対による温
度測定では、熱電対による基板への金属汚染の問題は解
決されるが、熱電対が測定しているのは被覆部材の温度
になる。また光照射型熱処理装置により基板が熱処理さ
れる過程で、基板の温度が上昇すると、熱伝導により被
覆部材が加熱されるだけではなく、被覆部材自体が照射
された光を直接吸収して加熱される。よって、光照射強
度を変える閉回路制御は、照射強度に依存して被覆部材
の光吸収による加熱量が変化するため、様々な膜構造や
不純物濃度を持つ基板の輻射率の変化による光吸収量
（基板温度）の変化を正確に測定することは難しい。こ
のように、基板温度の精度の高い測定技術がないことか
ら、従来の閉回路制御による基板温度制御には問題があ
った。

【０００９】また基板からの熱伝導と被覆部材からの輻
射吸収、および照射ランプ光の吸収は、被覆部材として
用いる材料により異なる。石英と炭化シリコン（Ｓｉ
Ｃ）の場合を例に示すと、石英による被覆では、光吸収
が抑えられるが、熱伝導が悪いために基板温度の測定が
難しく熱応答性も劣る。一方、炭化シリコンによる被覆
では、基板温度の伝導には優れるが、光吸収が多いため
に測定温度の光照射強度依存が顕著に現れる。このよう
な熱特性により、それぞれの材料には一長一短がある。

【００１０】また、被覆部材と基板との接触部において
被覆部材を平坦に加工して、疑似的な面接触状態を形成
し、基板からの熱伝導効率を増す方法もあるが、この方
法では被覆部材の熱容量を増やすことにもなる。そのた
め、光の直接吸収による加熱が増えるので正確な基板の
温度測定ができない。

【００１１】よって、光照射強度を変える閉回路制御で
は、照射強度に依存して被覆部材の光吸収による加熱量
が変化するため、さまざまな膜構造や不純物濃度を持っ
た基板の輻射率の変化による光吸収量（基板温度）の変
化を正確に測定することはできない。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされた半導体装置製造の熱処理工程にお
ける温度制御方法であり、加熱手段に光源を有する加熱
炉内に収容され、その光源からの光照射によって加熱さ
れる基板の温度を熱電対により接触式に測定する温度測
定装置を用いた温度制御方法である。上記温度測定装置
の熱電対を被覆する被覆部材における、基板との接触部
周辺は熱伝導率の高い材料で形成され、かつ基板との接
触部周辺を除く被覆部材は光透過率の高い材料または光
の反射率の高い材料で形成されている、このような温度
測定装置を用いて、基板の温度を測定する工程と、その
測定した値を前記光源の出力にフィードバックする閉回
路制御を行う工程とを備えている。

【００１３】上記半導体装置製造の熱処理工程における
温度制御方法では、上記構成の温度測定装置による基板
温度の測定と、その測定値を光源の出力にフィードバッ
クする閉回路制御とを組み合わせることにより、基板温
度の制御精度が高まる。すなわち、上記温度測定装置で
は、熱電対が被覆部材により被覆され、この被覆部材の
うち、測温部を覆う部分の被覆部材が熱伝導性の高い材
料からなることから、基板の熱が測温部に伝導し易くな
る。そのため、被覆部材を介しての温度測定ではある
が、基板の温度を精度良く測定することが可能になる。

【００１４】また、この熱伝導性の高い材料からなる被
覆部材を除く他の部分の被覆部材は光の透過率の高い材
料または光の反射率の高い材料からなることから、その
部分の被覆部材が光の照射を受けてその光を吸収するこ
とがほとんどない。そのため、光の照射による被覆部材
の温度上昇がほとんどなくなるので、被覆部材の吸熱に
よる熱電対の測温値の変化、基板からの輻射による測温
値の変化がほとんど起こらない。したがって、基板温度
を高精度に測定することが可能になり、その温度に基づ
いて光源の出力に対してフィードバックをかけることか
ら、基板温度を高精度に制御することが可能になる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明に係わる半導体装置製造の
熱処理工程における温度制御方法の実施形態の一例を、
図１に温度測定装置を基板とともに概略断面図によって
説明し、光照射型熱処理装置の一例を図２の概略構成断
面図によって説明する。

【００１６】図１に示すように、半導体装置製造の熱処
理工程において被熱処理基板の温度測定に用いる温度測
定装置１は、図２によって説明する加熱手段に光源１１
３を有する加熱炉（石英製のチューブ１１２）内に収容
され、上記光源１１３からの光照射により加熱される基
板５１の温度を熱電対１１により接触式に測定するもの
である。その熱電対１１を被覆する被覆部材２１におけ
る上記基板５１との接触部周辺（測温部１２の測温部被
覆部材２２）は熱伝導率の高い材料からなる。そのよう
な材料としては、例えば炭化シリコン、シリコン化合物
（例えば、モリブデンシリサイド、チタンシリサイド、
コバルトシリサイド等のシリサイド）もしくはアルミナ
が用いられている。一方、上記基板５１との接触部周辺
を除く上記温度測定装置１の被覆部材２１（線部被覆部
材２３）は光透過率の高い材料または光の反射率が高い
材料からなる。光透過率の高い材料としては、例えば石
英が用いられている。または光の反射率が高い材料とし
ては、例えばアルミナが用いられている。

【００１７】具体的には、接触式熱電対からなる温度測
定装置１は、熱電対１１が被覆部材２１によって被覆さ
れている構造となっている。この熱電対１１は、例え
ば、白金（Ｐｔ）−白金（Ｐｔ）・１０％ロジウム（Ｒ
ｈ）熱電対であり、熱電対１１の測温部（合金部）１２
は、白金線と白金・１０％ロジウム線との合金により形
成されている。また少なくともいずれか一方の線は絶縁
管３１内に遊挿されていて、この絶縁管３１は例えば石
英からなる。この例では、白金の導線１３の方が絶縁管
３１内に遊挿されている。当然のことながら、白金・１
０％ロジウム線１４の方が絶縁管３１内に遊挿されてい
てもよい。

【００１８】上記被覆部材２１のうち、上記測温部１２
を覆う部分の測温部被覆部材２２は、熱伝導性の高い材
料で構成され、測温部１２に十分に接触する状態に設け
られている。この測温部被覆部材２２は、例えば石英
（熱伝導率＝１．６６Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1）の十倍程度以上
の熱伝導率を有する材料、好ましくは１００Ｗ・ｍ^-1・
Ｋ^-1程度以上の熱伝導率を有する材料からなる。このよ
うな材料としては、例えば炭化シリコン（熱伝導率＝２
６１Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1）がある。

【００１９】上記測温部被覆部材２２は、測温部１２に
十分に接触し、かつ、熱伝導性の高い材料である炭化シ
リコンで形成されている。このことから、測温部被覆部
材２２を介しての温度測定ではあるが、基板５１の熱は
測温部１２へ十分に伝わり、基板５１の温度を測定する
ことが可能になる。さらに測温部被覆部材２２は、光の
直接の吸収を極力抑えるために表面積を小さく、また熱
応答性を高めるために熱容量の小さな構造としている。
すなわち、測温部被覆部材２２の形状は、測温部１２に
対してキャップ形状を成していて、例えば、キャップの
外径が１．４ｍｍ、キャップの内径が０．９ｍｍ、キャ
ップの高さ１．４ｍｍに形成されている。

【００２０】また、上記被覆部材２１のうち、上記測温
部被覆部材２２を除く他の部分の線部被覆部材２３は、
赤外線の透過性に優れた石英で構成されていて、しかも
光の直接の吸収を極力抑えた構造として円形断面を有す
る管状に形成されているので、光の照射を受けてもその
光を吸収することがほとんどない。よって、光の照射に
よる線部被覆部材２３の温度上昇がほとんどなくなるの
で、線部被覆部材２３の吸熱による熱電対１１の測温値
の変化はほとんど起こらない。

【００２１】また、一般に熱電対１１の導線１３，１４
の各表面は光を反射し易い状態に形成されている。その
ため、熱電対１１に光が照射されても、熱電対１１は照
射された光の影響をほとんど受けることはない。さら
に、上記測温部被覆部材２２が耐熱性が高く通常のシリ
コン基板の熱処理温度（１２００℃以下）では熱的に安
定な炭化シリコンで形成されているため、熱処理時に上
記測温部被覆部材２２によって基板５１が汚染されるこ
ともない。

【００２２】なお、基板５１は、石英トレー（図示省
略）より突出した石英製の複数本（例えば２本）の基板
支持部（図示省略）とともに、上記温度測定装置１の先
端部分になる測温部被覆部材２２によって水平に支持さ
れている。

【００２３】次に、上記実施形態で説明した温度測定装
置１を使用する光照射型熱処理装置の一例を、図２の概
略構成断面図によって説明する。

【００２４】図２に示すように、金で被覆された反応炉
１１１の内部には、赤外線に対して高い透過性を有する
石英ガラスによりなるチューブ１１２が設置され、この
チューブ１１２の側周に加熱用の光源１１３となるハロ
ゲンランプが設置されている。そして反応炉１１１の一
端側に上記チューブ１１２の一端側を設け、その部分に
は、基板５１の搬出入の際に開閉し、さらに上記チュー
ブ１１２内を密閉する時にはこのチューブ１１２内を気
密にできるように、パッキン１１４（例えば樹脂製のパ
ッキン）を装着したドア１１５が備えられている。

【００２５】一方、上記チューブ１１２の他端側にはガ
スを導入するためのガス導入管１１６が接続されてい
る。そして上記チューブ１１２の内部には、基板５１を
支持するための石英製のトレー１１７が置かれている。
このトレー１１７には石英製の基板支持部１１８が形成
されていて、この基板支持部１１８とともにトレー１１
７上に配置した温度測定装置１の先端部（前記図１によ
って説明した測温部被覆部材２２を介した測温部１２）
によって基板５１が支持されている。また温度測定装置
１の熱電対の導線１３，１４は反応炉１１１の端部に設
けた孔１１９より外部に引き出されている。また反応炉
１１１にはパイロメーター１３１により温度測定を可能
とする窓１２０が形成されている。このように、光照射
型熱処理装置１０１は構成されている。

【００２６】上記図１によって説明した温度測定装置１
を用いて、第１工程では、図２によって説明した光照射
型熱処理装置１０１により加熱される上記基板５１の温
度を測定する。

【００２７】次いで第２工程で、上記基板５１の温度の
測定値を上記光源１１３の出力にフィードバックして、
基板５１の温度を所定範囲内に保持するように光源１１
３の出力を調節する閉回路制御を行う。

【００２８】上記閉回路制御は、例えば、基板温度が高
い場合にはその測定温度値と設定温度値との差を求め、
その差に基づいて光源１１３の出力を減少させて基板温
度を設定温度に一致させるようにし、一方、基板温度が
低い場合にはその測定温度値と設定温度値との差を求
め、その差に基づいて光源１１３の出力を増加させるこ
とにより基板温度を設定温度に一致させるようにして、
常に基板温度が設定温度に保持されるようにする。上記
基板温度の測定値と設定温度値との差より光源の出力の
増減量は、例えば予め求めておいたデータに基づいて決
定すればよい。

【００２９】上記半導体装置製造の熱処理工程における
温度制御方法では、上記構成の温度測定装置１による基
板５１の温度測定と、その測定値を光源１１３の出力に
フィードバックする閉回路制御とを組み合わせることに
より、基板５１の温度制御の精度が高まる。すなわち、
上記温度測定装置１では、熱電対１１が被覆部材２１に
より被覆され、この被覆部材２１のうち、測温部１２を
覆う部分の測温部被覆部材２２が熱伝導性の高い材料か
らなることから、基板５１の温度が測温部１２に伝導し
易くなる。そのため、測温部被覆部材２２を介しての温
度測定ではあるが、基板５１の温度を精度良く測定する
ことが可能になる。

【００３０】また、測温部被覆部材２２を除く他の部分
の線部被覆部材２３は光の透過率の高い材料または光の
反射率の高い材料からなることから、その線部被覆部材
２３が光の照射を受けてその光を吸収することがほとん
どない。そのため、光の照射による線部被覆部材２３の
温度上昇がほとんどなくなるので、線部被覆部材２３の
吸熱による熱電対１１の測温値の変化、基板５１からの
輻射による測温値の変化がほとんど起こらない。したが
って、基板５１の温度を高精度に測定することが可能に
なり、その温度に基づいて光源１１３の出力に対してフ
ィードバックをかけることから、基板５１の温度を高精
度に制御することが可能になる。

【００３１】次に比較例として従来の接触式熱電対の温
度測定装置を、図３の概略構成断面図によって説明す
る。図３では、従来型の温度測定装置２０１が光照射型
熱処理装置の石英製のチューブ１１２内に挿入されてい
て、基板５１の温度を測定している状態を示しており、
前記図１によって説明した構成部品と同様のものには同
一符号を付与する。この従来型の温度測定装置２０１
は、熱電対１１が炭化シリコン（ＳｉＣ）からなる被覆
部材２２１によって被覆されている構造となっている。
この熱電対１１は、例えば、白金（Ｐｔ）−白金（Ｐ
ｔ）・１０％ロジウム（Ｒｈ）熱電対であり、熱電対１
１の測温部（合金部）１２は、白金線と白金・１０％ロ
ジウム線との合金により形成されている。また少なくと
もいずれか一方の線は絶縁管３１内に遊挿されていて、
この絶縁管３１は例えば石英からなる。この例では、白
金の導線１３の方が絶縁管３１内に遊挿されている。

【００３２】上記従来型の温度測定装置２０１では、熱
電対１１が測定しているのは被覆部材２２１の温度であ
る。光照射型熱処理装置（図示省略）により基板５１が
熱処理される過程で、基板５１が加熱されてその温度が
上昇すると、基板５１からの熱伝導により被覆部材２２
１が加熱されるだけではなく、被覆部材２２１自身が光
源１１３の光を直接吸収して加熱されるため、基板温度
の正確な測定は困難となる。基板５１からの熱伝導と被
覆部材２２１の基板５１からの輻射、および光源１１３
からの光の吸収は、被覆部材２２１として用いる材料に
より異なり、石英と炭化シリコンの場合を例に示すと、
石英は、輻射吸収が少なく熱伝導が悪いために、基板温
度の測定が難しく熱応答性も劣る。一方、炭化シリコン
は輻射吸収が多く熱伝導が良いために、炭化シリコンに
よる被覆では基板温度の伝導には優れるが光吸収が多く
測定温度の光照射強度依存が顕著に現れる。

【００３３】次に基板の輻射率を変えるための膜厚を変
化させた３種類のサンプルの構造を図４によって説明す
る。

【００３４】図４の（１）に示すように、第１評価サン
プル６１は、シリコン基板６２の一方側（表面側）に酸
化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜６３、１５０ｎｍの厚さの多
結晶シリコン膜６４、３００ｎｍの厚さのキャッピング
酸化シリコン膜６５が積層され、シリコン基板６２の他
方側（裏面側）に酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜６６、１
５０ｎｍの厚さの多結晶シリコン膜６７が積層されたも
のである。そして上記酸化シリコン膜６３，６６は７０
０ｎｍ〜９００ｎｍの範囲で厚さを変えているが、光吸
収量の膜厚依存性は少ないものとなっている。また多結
晶シリコン膜６４には打ち込みエネルギーが４０ｋｅ
Ｖ、ドーズ量が５．４×１０¹⁴個／ｃｍ²なる条件で二
フッ化ホウ素（ＢＦ₂ ）がイオン注入されている。

【００３５】図４の（２）に示すように、第２評価サン
プル７１は、シリコン基板７２の一方側（表面側）に８
００ｎｍの厚さの酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜７３、１
５０ｎｍの厚さの多結晶シリコン膜７４、３００ｎｍの
厚さのキャッピング酸化シリコン膜７５が積層され、シ
リコン基板７２の他方側（裏面側）に８００ｎｍの厚さ
の酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜７６、多結晶シリコン膜
７７が積層されたものである。そして上記裏面側の多結
晶シリコン膜７７は１５０ｎｍ〜３５０ｎｍの範囲で厚
さを変化させており、光吸収量の膜厚依存性は第１評価
サンプル６１よりも大きくなっている。また表面側の多
結晶シリコン膜７４には、打ち込みエネルギーが４０ｋ
ｅＶ、ドーズ量が５．４×１０¹⁴個／ｃｍ² なる条件で
二フッ化ホウ素（ＢＦ₂ ）がイオン注入されている。

【００３６】図４の（３）に示すように、第３評価サン
プル８１は、シリコン基板８２の一方側（表面側）に酸
化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜８３、１５０ｎｍの厚さの多
結晶シリコン膜８４、３００ｎｍの厚さのキャッピング
酸化シリコン膜８５が積層され、シリコン基板８２の他
方側（裏面側）に酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜８６、１
５０ｎｍの厚さの多結晶シリコン膜８７が積層されたも
のである。そして上記第３評価サンプル８１は、酸化シ
リコン膜８３，８６の厚さが１００ｎｍ〜６００ｎｍの
範囲、すなわち、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎ
ｍ、４００ｎｍ、６００ｎｍの５種類のものが用意され
ている。そのため、これらの第３評価サンプル８１にお
いては酸化シリコン膜８３，８６の光吸収の膜厚依存性
は極めて大きいものとなっている。また多結晶シリコン
膜８４には、打ち込みエネルギーが４０ｋｅＶ、ドーズ
量が５．４×１０¹⁴個／ｃｍ² なる条件で二フッ化ホウ
素（ＢＦ₂ ）がイオン注入されている。

【００３７】酸化シリコン膜６３の膜厚が異なる複数の
各第１評価サンプル６１，多結晶シリコン膜７７の膜厚
が異なる複数の各第２評価サンプル７１，酸化シリコン
膜８３，８６の膜厚が異なる複数の各第３評価サンプル
８１のそれぞれに、耐熱性接着剤を用いて熱電対を直接
張りつけて、その熱電対を用いた正確な温度測定を行っ
た。

【００３８】温度測定では、前記図２によって説明した
光照射型熱処理装置１０１を用いて基板５１の代わりに
上記図４によって説明した各第１，第２，第３評価サン
プル６１，７１，８１を熱処理〔ＲＴＡ（Rapid Therma
l Annealing ）〕した。そのＲＴＡのシーケンスは、図
５に示すように、２００℃の温度雰囲気に設定したチュ
ーブ１１２（図２参照）内に評価サンプルを搬入する。
そして５０℃／ｓの加熱速度でＲＴＡの設定温度Ｔまで
加熱した後、その設定温度Ｔにｔ秒間（例えば１０秒
間）保持し、その後５０℃／ｓの冷却速度で４００℃ま
で冷却して、チューブ１１２内から評価サンプルを搬出
するという順である。上記ＲＴＡの設定温度Ｔは、９０
０℃、１０００℃、１０５０℃、１１００℃、１１５０
℃に設定した。なお、上記ＲＴＡのシーケンスは一例で
あり、適宜変更することは可能である。

【００３９】ここで、各設定温度で処理をしたときの各
評価サンプルのシート抵抗の温度依存性を図６に示す。
図６では、縦軸にシート抵抗ρｓを示し、横軸にＲＴＡ
の設定温度を示す。図６に示すように、９００℃から９
５０℃程度まではほぼ一定の２１４０Ω／□程度のシー
ト抵抗値を示し、１０００℃程度より高温になると急激
にシート抵抗が低下する。そして１０５０℃では１４２
０Ω／□程度のシート抵抗値になり、１１００℃では９
８０Ω／□程度のシート抵抗値を示し、１１５０℃では
８００Ω／□程度のシート抵抗値になった。

【００４０】図７は、本発明の温度測定器１（図１参
照）および従来型の温度測定装置２０１（図３参照）に
よって測定した各評価サンプルのシート抵抗ρｓ（縦
軸）と測定温度（横軸）との関係を示したものである。
温度測定器１による測定値は白抜きの丸、三角、四角印
で示し、温度測定装置２０１による測定値は黒塗りの
丸、三角、四角印で示す。

【００４１】具体的には、第２評価サンプル７１におけ
る多結晶シリコン膜７７の膜厚が２５０ｎｍの評価サン
プルにおいて基板温度は１０５０℃になるようなランプ
出力を用い、第１評価サンプル６１の酸化シリコン膜６
３，６６の厚さ、第２評価サンプル７１の多結晶シリコ
ン膜７７の厚さ、および第３評価サンプル８１の酸化シ
リコン膜８３，８６の厚さを変えた全ての評価サンプル
に対して、同一ランプ出力で熱処理を行う。すなわち、
光の照射強度が一定のもとで熱処理を行うという開回路
制御により連続処理を行い、シート抵抗および基板温度
を測定する。

【００４２】図７に示すように、基板によらず同じ光照
射強度で処理する開回路制御では、基板表面に形成され
た膜の厚さの違いによりシート抵抗（基板温度）が変化
する。また、図６および図７において、ＲＴＡの設定温
度によるシート抵抗の温度依存の曲線と、温度測定装置
１による測定温度でのシート抵抗の温度依存の曲線とを
比較すると、曲線の形は一致している。このことから、
基板構造が異なり光の吸収量が違うさまざまな基板に対
しても、温度測定装置１（図１参照）は基板温度の正確
な測定を再現性良くできることを示している。これに対
し、従来型の温度測定装置２０１（図３参照）により測
定した測定温度とそのときのシート抵抗との関係は、図
６の温度依存の曲線と大幅に異なることがわかり、従来
型の温度測定装置２０１は基板温度の正確な測定ができ
ていないことを示している。

【００４３】第３評価サンプル８１の酸化シリコン膜８
３，８６の膜厚を変化させたサンプルを、温度測定装置
２０１（図３参照）と温度測定装置１（図１参照）とを
用いた閉回路制御にて、前記図５によって説明したシー
ケンスにより測定温度１０５０℃で処理を施し、この時
のシート抵抗の膜厚依存性を開回路制御における膜厚依
存性とともに図８に示す。この図８では、縦軸にシート
抵抗ρｓを示し、横軸に酸化シリコン膜厚を示し、図中
の黒塗りの丸印は開回路制御、白抜きの四角印は温度測
定装置１による閉回路制御、白抜きの三角印は従来型の
温度測定装置２０１による閉回路制御を示す。また、同
様に、シート抵抗からの換算温度の膜厚依存性を図９に
示し、図中の黒塗りの丸印は開回路制御、白抜きの四角
印は温度測定装置１による閉回路制御、白抜きの三角印
は従来型の温度測定装置２０１による閉回路制御を示
す。この図９では、縦軸に基板温度を示し、横軸に酸化
シリコン膜厚を示す。図８および図９から明らかなよう
に、開回路制御において顕著に現れるシート抵抗（基板
温度）の膜厚依存は、温度測定装置１を用いることで改
善される。しかし、温度測定装置２０１では、シート抵
抗（基板温度）の膜厚依存の改善効果がみられない。

【００４４】温度測定装置１（図１参照）と温度測定装
置２０１（図３参照）とを用いた閉回路制御により第３
評価サンプル８１の酸化シリコン膜８３，８６の膜厚を
変化させたサンプルを前記図５によって説明したシーケ
ンスにより測定温度１０５０℃で処理を施した時の、酸
化シリコン膜８３，８６の膜厚による安定時のランプ出
力を図１０に示した。この図１０では、縦軸にランプ出
力（最大出力に対する出力比）を示し、横軸に酸化シリ
コン膜厚を示し、図中の黒塗りの丸印は開回路制御、白
抜きの四角印は温度測定装置１による閉回路制御、白抜
きの三角印は従来型の温度測定装置２０１による閉回路
制御を示す。

【００４５】図１０に示すように、温度測定装置１を用
いた閉回路制御では、基板温度が低くなる酸化シリコン
膜厚においてより高いランプ出力を加えて基板温度を補
正しているのがわかる。しかし、前記図７に示すよう
に、温度測定装置２０１では、実際に基板温度が変わっ
ていても、測定温度がほとんど変わらないため、酸化シ
リコン膜厚に依らずほぼ同じランプ出力となり、酸化シ
リコン膜厚により基板温度を補正することができていな
い。以上のことから、温度測定装置２０１では、ランプ
からの光を温度測定装置２０１が直接吸収していること
を証明している。このように、温度測定装置の構造とし
ては、炭化シリコンの表面積を減らして、光吸収を極力
抑えた構造にする必要があることがわかる。要するに、
従来温度測定装置２０１のように熱電対１１を全て覆っ
た構造では、光吸収が多く、閉回路制御における精度の
良い測定はできない。

【００４６】上記図６〜図１０では、酸化シリコン膜厚
により極端に基板の光吸収量が変わる第３評価サンプル
８１の結果を用いて、温度測定装置１による閉回路制御
の結果を示したが、実際の管理された半導体装置の製造
工程においては、膜厚や膜質の工程ばらつきによる光吸
収（基板温度）の変動は、はるかに少なく、温度測定装
置１を用いた閉回路制御により、開回路制御におけるシ
ート抵抗（基板温度）の膜厚依存を十分に解消できる。

【００４７】以上のように、閉回路制御において精度の
良い測定を行うためには、測温部に被覆する炭化シリコ
ンの構造を極力小さくし、光吸収を抑える必要がある。

【００４８】一例として、膜厚を変化させ、光の吸収量
を変えた基板を用いて、閉回路制御の効果を示したが、
温度測定装置１（図１参照）を用いた閉回路制御では、
実際の基板温度を測定し、光源１１３となるランプの出
力にフィードバックするため、光照射型熱処理装置１０
１を構成する石英製のチューブ１１２の光透過率や反応
炉１１１の内壁の光反射率、光源１１３となるランプの
出力の経時的な変化等によっての基板５１の処理温度が
変化するような場合にも、本発明により、精度の高い基
板温度の測定が実現される。

【００４９】この制御方法の安定性を評価するため、温
度測定装置１（図１参照）を用いた閉回路制御により、
前記図５によって説明したシーケンスにより測定温度１
０５０℃で１０秒間の熱処理を実行し、この時の温度測
定装置１とパイロメーターの測定温度、ならびに光源１
１３となるランプの出力を読み取ることにより、１３５
０枚の連続処理における温度測定装置１による閉回路制
御の安定性を評価した。サンプルには、６００ｎｍの熱
酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）が形成されたシリコン基板を使用
し、測定温度とランプ出力のサンプリングを同じシリコ
ン基板から行うことで、シリコン基板の輻射率ばらつき
によるパイロメーターの測定誤差を排除した。

【００５０】図１１に示す温度測定装置１の測定温度の
推移は、温度測定装置１による閉回路制御であるため、
当然１０５０℃で一定となる。この図１１では、縦軸に
測定温度を示し、横軸に基板の処理枚数を示す。

【００５１】しかしながら、実際の基板温度は、温度測
定装置１のドリフトのために一定ではなく、このドリフ
トは、同一サンプルに対して同一条件であれば、ほぼ正
確な基板温度を測定するパイロメーターの推移（図１
３）により知ることができる。この結果を図１２によっ
て説明する。この図１２では、左縦軸にパイロメーター
による測定温度を示し、右縦軸にドリフト温度を示し、
横軸に基板の処理枚数を示す。図１２に示すように、新
品の温度測定装置１を使いはじめてから、２００枚程度
までは、０℃から−３℃程度へのドリフトがみられる
が、２００枚目以降は、例えば−３℃を中心として±
１．０℃以下の非常に優れた温度制御が可能であること
がわかる。

【００５２】また、図１３に、ランプ出力（縦軸）と基
板の処理枚数（横軸）との関係を示す。ここで示すラン
プ出力は最大ランプ出力に対する比率である。この図１
３に示すように、ランプ出力は、およそ５０枚の連続処
理を行った後は、±０．５％程度のばらつきの範囲内で
安定した出力となることがわかる。

【００５３】以上のことより、新品の温度測定装置１を
使用する際には、例えば前記図５によって説明したシー
ケンスにより測定温度１０５０℃で１０秒間の熱処理を
２００回程度施す必要がある。所定回数の連続した熱処
理を施した温度測定装置１による閉回路制御によって非
常に安定な基板温度制御が実現される。なお、上記熱処
理回数の２００回というのは一例であって、その熱処理
回数は熱処理条件（温度、時間等）によって適宜選択さ
れる。

【００５４】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
温度測定装置の測温部の被覆部材が熱伝導性の高い材料
からなるので測温部に基板温度が十分に伝わり、他の部
分の被覆部材が光透過率または光反射率の高い材料から
なるのでこの部分の被覆部材は光をほとんど吸収しな
い。そのため、本温度測定装置により基板温度を正確に
測定することができる。この温度測定装置を、基板温度
をランプ出力にフィードバックして基板を所望の温度に
制御する閉回路制御に用いるので、膜構造、膜質、不純
物濃度等による輻射率や光吸収量（処理温度）が変化す
る基板を熱処理する場合であっても、基板温度を精度良
く制御することが可能になる。さらに光照射型熱処理装
置を構成する石英チューブの光透過率、反応炉内壁の光
反射率、光源となるランプの出力等の経時的な変化があ
っても基板温度の安定な制御を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の温度制御方法に係わる実施形態の説明
図である。

【図２】温度測定装置を使用する光照射型熱処理装置の
概略構成断面図である。

【図３】比較例の温度測定装置の概略構成断面図であ
る。

【図４】各評価サンプルの概略構成断面図である。

【図５】ＲＴＡのシーケンスの説明図である。

【図６】各評価サンプルのシート抵抗とＲＴＡの設定温
度との関係図である。

【図７】本発明の温度測定装置および比較例の温度測定
装置による測定温度とシート抵抗との関係図である。

【図８】第３評価サンプルのシート抵抗と酸化シリコン
膜厚との関係図である。

【図９】第３評価サンプルの基板温度と酸化シリコン膜
厚との関係図である。

【図１０】第３評価サンプルでのランプ出力比と酸化シ
リコン膜厚との関係図である。

【図１１】ＲＴＡの連続処理における本発明の温度測定
装置による測定温度と基板処理枚数との関係図である。

【図１２】ＲＴＡの連続処理におけるパイロメーターに
よる測定温度と基板処理枚数との関係図および本発明の
温度測定装置の測定温度のドリフト量と基板処理枚数と
の関係図である。

【図１３】ＲＴＡの連続処理におけるランプ出力と基板
処理枚数との関係図である。

【符号の説明】

１…温度測定装置、１１…熱電対、２１…被覆部材、２
２…測温部被覆部材、２３…線部被覆部材、５１…基
板、１１３…光源

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱手段に光源を有する加熱炉内に収容
   され、前記光源からの光照射により加熱される基板の温
   度を熱電対により接触式に測定する温度測定装置を用い
   た半導体装置製造の熱処理工程における温度制御方法で
   あって、 前記温度測定装置の熱電対を被覆する被覆部材におけ
   る、前記基板との接触部周辺は熱伝導率の高い材料で形
   成され、かつ前記基板との接触部周辺を除く前記被覆部
   材は光透過率の高い材料または光の反射率の高い材料で
   形成された該温度測定装置を用いて、前記基板の温度を
   測定する工程と、 前記測定した値を前記光源の出力にフィードバックし
   て、前記基板の温度を所定範囲内に保持するように該光
   源の出力を調節する閉回路制御を行う工程とを備えたこ
   とを特徴とする半導体装置製造の熱処理工程における温
   度制御方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置製造の熱処理
   工程における温度制御方法において、 前記基板との接触部周辺の被覆部材が炭化シリコン、シ
   リコン化合物もしくはアルミナからなる前記温度測定装
   置を用いて前記基板の温度を測定することを特徴とする
   半導体装置製造の熱処理工程における温度制御方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の半導体装置製造の熱処理
   工程における温度制御方法において、 前記温度測定装置は、所定回数の熱処理を行った後、前
   記基板の温度測定に用いることを特徴とする半導体装置
   製造の熱処理工程における温度制御方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載の半導体装置製造の熱処理
   工程における温度制御方法において、 前記温度測定装置は、所定回数の熱処理を行った後、前
   記基板の温度測定に用いることを特徴とする半導体装置
   製造の熱処理工程における温度制御方法。