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JP2001085489A - Temperature measurement method - Google Patents

Temperature measurement method

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Publication number
JP2001085489A
JP2001085489A JP26238399A JP26238399A JP2001085489A JP 2001085489 A JP2001085489 A JP 2001085489A JP 26238399 A JP26238399 A JP 26238399A JP 26238399 A JP26238399 A JP 26238399A JP 2001085489 A JP2001085489 A JP 2001085489A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
temperature
wave number
measured
scattered light
raman scattered
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP26238399A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tsunetoshi Arikado
経敏 有門
Tomohiro Saito
友博 齋藤
Junji Yagishita
淳史 八木下
Katsuya Okumura
勝弥 奥村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP26238399A priority Critical patent/JP2001085489A/en
Publication of JP2001085489A publication Critical patent/JP2001085489A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ラマン散乱光を捕らえて温度を測定する新規
な方法を提供する。 【解決手段】 従来技術と同様に被測定基板にレーザ光
を照射し発生するラマン散乱光を測定してアンチストー
クス線より強度のあるストークス線を分光し、ピークと
なる波数を求め、あらかじめ求めておいた温度(℃)と
ストークス線のピーク波数(ピーク強度)との関係とピ
ーク波数とを照合させて温度を求める。ピーク波数は温
度上昇とともにほぼ直線的に波数が減少する方向にシフ
トするのでこのような温度測定が可能になる。より正確
を期するためには二次関数でほぼ完全にフィッテイング
させることができる。この測定方法では、ラマン散乱光
の波数が温度によってシフトする現象を利用している。
従来のようにアンチストークス線を用いないので測定が
短時間で完了する。
(57) [Problem] To provide a novel method for measuring temperature by capturing Raman scattered light. SOLUTION: As in the prior art, a substrate to be measured is irradiated with laser light, and Raman scattered light generated is measured, and Stokes lines having an intensity higher than that of the anti-Stokes lines are separated to obtain a peak wave number. The temperature is obtained by collating the relationship between the temperature (° C.) and the peak wave number (peak intensity) of the Stokes line with the peak wave number. Since the peak wave number shifts in a direction in which the wave number decreases almost linearly as the temperature rises, such a temperature measurement becomes possible. For more accuracy, it can be fitted almost completely with a quadratic function. This measuring method utilizes the phenomenon that the wave number of Raman scattered light shifts with temperature.
The measurement is completed in a short time because the anti-Stokes line is not used unlike the related art.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、温度測定方法に係
り、とくにラマン散乱光を利用して半導体ウェーハの温
度を測定する方法に関するものである。
The present invention relates to a method for measuring temperature, and more particularly to a method for measuring the temperature of a semiconductor wafer using Raman scattered light.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に半導体装置は、半導体装置をデザ
インする設計工程、インゴット状態のシリコンなどの半
導体単結晶を成長させ、これをスライスしてウェーハに
するウェーハ形成工程、ウェーハに対して薄膜形成、酸
化処理、ドーピングなどを行なってウェーハに半導体素
子が形成された複数のチップを形成するウェーハ処理工
程、ウェーハからチップを分離しパッケージングを行う
組立工程及び検査工程を経て製品が得られる。ウェーハ
処理工程では、ウェーハ形成工程により得られたウェー
ハ主面のダイシングラインに区画されたチップ形成領域
に沿ってチップを形成し、その後ダイシングラインに沿
ってウェーハをダイシングして各チップ毎に分離する。
このチップを基にして半導体装置を組み立て、検査を行
って製品を出荷している。
2. Description of the Related Art In general, a semiconductor device has a design process of designing a semiconductor device, a process of growing a semiconductor single crystal such as silicon in an ingot and slicing the same into a wafer, a process of forming a thin film on the wafer, A product is obtained through a wafer processing process of forming a plurality of chips having semiconductor elements formed on the wafer by performing oxidation treatment, doping, and the like, an assembling process of separating and packaging the chips from the wafer, and an inspection process. In the wafer processing step, chips are formed along a chip forming area defined by a dicing line on the main surface of the wafer obtained in the wafer forming step, and then the wafer is diced along the dicing line to separate each chip. .
The semiconductor device is assembled based on the chip, inspected, and shipped.

【0003】半導体装置の製造工程において、ウェーハ
処理工程では、多くの熱工程が存在する。熱工程は、酸
化処理にせよ拡散処理にせよ熱エネルギーによってプロ
セスを起こすものであり、温度が最も重要なプロセスパ
ラメータである。そして、プロセスが精密になるほど温
度の測定とその精密制御が必要となる。半導体製造にお
いては不純物の混入を極端に嫌うため、非接触の温度測
定が必要である。非接触で温度を測定する方法として放
射温度計がある。これは、物質の放射する放射エネルギ
ーを測定するもので、温度の4乗に比例することから温
度測定に用いられている。この方法の難点は、放射率が
物質によって、また温度によって変化することである。
半導体製造工程では、例えば、SiO2 やSiNなどの
薄膜が形成されるが、このような半導体基板では放射率
が異なるため、もし同一の放射温度計で温度を測定すれ
ば大きな誤差を生むことになる。このような材料依存性
を回避する方法として、ラマン散乱光を測定する方法が
知られている。ラマン活性な振動モードを持つ固体にレ
ーザ光を照射すると、ラマン散乱光が放出される。つま
り、物質に光が入射すると、散乱光の中にその物質の分
子運動あるいは固体中の格子振動エネルギーに相当する
振動数だけ低いあるいは高い振動数成分を持った散乱光
が放出されるのである。
In a semiconductor device manufacturing process, there are many thermal processes in a wafer processing process. In the thermal process, a process is caused by thermal energy, whether an oxidation process or a diffusion process, and the temperature is the most important process parameter. And, as the process becomes more precise, the temperature measurement and its precise control are required. In the manufacture of semiconductors, non-contact temperature measurement is necessary because impurities are extremely disliked. There is a radiation thermometer as a method for measuring temperature in a non-contact manner. It measures the radiant energy emitted by a substance, and is used for temperature measurement because it is proportional to the fourth power of temperature. The difficulty with this method is that the emissivity varies with material and with temperature.
In the semiconductor manufacturing process, for example, a thin film such as SiO 2 or SiN is formed, but since such semiconductor substrates have different emissivities, if the temperature is measured with the same radiation thermometer, a large error may occur. Become. As a method of avoiding such material dependence, a method of measuring Raman scattered light is known. When a solid having a Raman-active vibration mode is irradiated with laser light, Raman scattered light is emitted. That is, when light enters a substance, scattered light having a frequency component lower or higher by the frequency corresponding to the molecular motion of the substance or the lattice vibration energy in the solid is emitted in the scattered light.

【0004】ラマン散乱光には物質固有の振動数分だけ
入射光よりもエネルギーの小さいストークス線と、その
逆のアンチストークス線の2種類がある。ストークス線
とアンチストークス線の強度比が温度に対して指数関数
的に変化することから、この現象を温度測定に利用する
ことが提案されている(特開平7−218355号公報
参照)。例えば、Arイオンレーザ光を照射する場合を
説明する。Arイオンレーザの発振線のうち波長を48
8nmを選択すると、SiO2 やSiNはこの波長をほ
とんど吸収しないため、レーザ光はシリコン基板に到達
し、さらに深さ約0.5乃至1μmまで侵入する。ラマ
ン散乱光は、この領域から発生するため、ラマン散乱光
を用いて測定した温度は表面の温度ではなく、内部の基
板温度ということになる。したがって、基板表面になん
らかの薄膜が形成されていても、それらの影響を受ける
ことなく温度を測定することが可能であり、放射温度計
の問題点を解決することが可能である。
[0004] There are two types of Raman scattered light: a Stokes line whose energy is smaller than that of incident light by the frequency inherent to the substance, and an anti-Stokes line which is the opposite of the Stokes line. Since the intensity ratio between the Stokes line and the anti-Stokes line changes exponentially with respect to temperature, it has been proposed to utilize this phenomenon for temperature measurement (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-218355). For example, a case in which Ar ion laser light is irradiated will be described. The wavelength of the oscillation line of the Ar ion laser is 48
If 8 nm is selected, since SiO 2 and SiN hardly absorb this wavelength, the laser beam reaches the silicon substrate and further penetrates to a depth of about 0.5 to 1 μm. Since the Raman scattered light is generated from this region, the temperature measured using the Raman scattered light is not the surface temperature but the internal substrate temperature. Therefore, even if any thin film is formed on the substrate surface, the temperature can be measured without being affected by the thin films, and the problem of the radiation thermometer can be solved.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、通常ラマン散
乱光の強度は非常に弱い。とくにアンチストークス線
は、ストークス線よりも桁違いに弱い(図6参照)。し
たがって、強度を測定する以上精度良く測定するために
はある程度の時間が必要である。逆に短時間の測定では
精度が劣化するということが問題である。さらに、スト
ークス線とアンチストークス線との強度比は、温度に対
して指数関数的に変化する。すなわち、この強度比は低
温領域では温度変化に対して敏感に変化するが、高温領
域ではほとんど変化しない。つまり、高温領域での温度
測定は極めて精度が低下するという問題がある。また、
実際の半導体プロセスでは熱処理装置に設けられた窓を
介して測定することになるが、窓に薄膜などが付着する
と当然のことながらそこでラマン散乱光が吸収又は反射
され、分光器に到達するラマン散乱光の光量が減少す
る。したがって、さらに精度が低下することになる。
However, the intensity of Raman scattered light is usually very low. In particular, the anti-Stokes line is orders of magnitude weaker than the Stokes line (see FIG. 6). Therefore, it takes a certain amount of time to measure the strength more accurately than to measure the strength. On the contrary, there is a problem that the accuracy is deteriorated in the short-time measurement. Further, the intensity ratio between the Stokes and anti-Stokes lines varies exponentially with temperature. That is, the intensity ratio changes sensitively to a temperature change in a low temperature region, but hardly changes in a high temperature region. That is, there is a problem that the accuracy of the temperature measurement in the high temperature region is extremely reduced. Also,
In an actual semiconductor process, measurement is performed through a window provided in a heat treatment apparatus. However, when a thin film or the like adheres to the window, the Raman scattering light is naturally absorbed or reflected there, and the Raman scattering reaching the spectroscope is naturally observed. The amount of light decreases. Therefore, the accuracy is further reduced.

【0006】半導体プロセスではシリコン基板上にシリ
コン酸化膜やシリコン窒化膜などの各種薄膜が形成され
ており、これらは熱膨張係数が異なるために温度上昇に
伴ってシリコン基板にストレスが加わって基板が変形す
ることになる。これはラマン分光の焦点をずらすことに
なる。強度すなわち光量を測定する方法の場合、焦点の
影響を大きく受けることが問題点の一つである。以上の
理由により、ストークス線とアンチストークス線の強度
比から温度を求める方法は、半導体プロセスでは現実的
に用いることのできる方法ではないというのが現状であ
る。本発明は、このような事情によりなされたものであ
り、ラマン散乱光を捕らえ、これを利用して温度を測定
する新規な方法を提供することにある。
In the semiconductor process, various thin films such as a silicon oxide film and a silicon nitride film are formed on a silicon substrate, and these have different thermal expansion coefficients. It will be deformed. This shifts the focus of Raman spectroscopy. One of the problems in the method of measuring the intensity, that is, the amount of light, is that it is greatly affected by the focus. For the above reasons, at present, the method of obtaining the temperature from the intensity ratio of the Stokes line and the anti-Stokes line is not a method that can be practically used in a semiconductor process. The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a novel method of capturing Raman scattered light and measuring the temperature using the captured light.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】発明者らは、開発を進め
た結果、ストークス線のピーク波数は温度と共に波数が
減少する方向にシフトすることを発見した。すなわち、
本発明は、従来技術と同様に被測定基板にレーザ光を照
射し発生するラマン散乱光を測定してアンチストークス
線より強度のあるストークス線を分光し、ピークとなる
波数を求め、あらかじめ求めておいた温度とストークス
線のピーク波数との関係とピーク波数とを照合させて温
度を求めることを特徴としている。ピーク波数は温度上
昇とともにほぼ直線的に波数が減少する方向にシフトす
るのでこのような温度測定が可能になる。より正確を期
するためには二次関数でほぼ完全にフィッテイングさせ
ることができる。上記測定方法では、ラマン散乱光の波
数が温度によってシフトする現象を利用している。従来
のようにアンチストークス線を用いないので測定が短時
間で完了する。また、ピーク波数の温度依存性を利用し
ており、光量を測定するわけではないので熱処理装置の
窓の汚れなどによる影響を受けることがない。さらに焦
点がずれることによる光量の減少などの影響も受けるこ
とがない。
Means for Solving the Problems As a result of the development, the inventors have found that the peak wave number of the Stokes line shifts with the temperature in a direction in which the wave number decreases. That is,
The present invention measures the Raman scattered light generated by irradiating the substrate to be measured with laser light in the same manner as in the prior art, disperses the Stokes line having an intensity higher than that of the anti-Stokes line, determines the peak wave number, and determines the peak wave number in advance. It is characterized in that the temperature is obtained by collating the relationship between the set temperature and the peak wave number of the Stokes line with the peak wave number. Since the peak wave number shifts in a direction in which the wave number decreases almost linearly as the temperature rises, such a temperature measurement becomes possible. For more accuracy, it can be fitted almost completely with a quadratic function. The above measuring method utilizes a phenomenon in which the wave number of Raman scattered light shifts with temperature. The measurement is completed in a short time because the anti-Stokes line is not used unlike the related art. Further, since the temperature dependence of the peak wave number is used and the light quantity is not measured, there is no influence from the contamination of the window of the heat treatment apparatus. Further, there is no influence of a decrease in the amount of light due to the defocus.

【0008】すなわち、本発明の温度測定方法は、結晶
性の被測定試料へレーザ光を照射して放出されるラマン
散乱光のストークス線のピーク波数値とその時の前記被
測定試料の温度とをあらかじめ算出して前記ピーク波数
値と前記温度との関係を求めるステップと、前記被測定
試料へレーザ光を照射してラマン散乱光のストークス線
の波数を測定し、この値を前記ピーク波数値と温度との
関係と照合させて前記被測定試料の温度を測定するステ
ップとを具備していることを特徴としている。前記被測
定試料は、単結晶シリコン又は多結晶シリコンであって
も良い。前記レーザ光は、前記単結晶シリコン又は多結
晶シリコンにその上に被覆された絶縁膜を介して照射さ
れるようにしても良い。前記被測定試料に照射されるレ
ーザ光強度は、104 W/cm2 以下であることように
しても良い。
In other words, the temperature measuring method of the present invention is a method for measuring the peak value of the Stokes line of Raman scattered light emitted by irradiating a crystalline sample with laser light and the temperature of the sample at that time. Calculating the relationship between the peak wave number and the temperature by calculating in advance, irradiating the sample to be measured with laser light to measure the wave number of the Stokes line of Raman scattered light, and this value is referred to as the peak wave number. Measuring the temperature of the sample to be measured by collating with a relationship with the temperature. The sample to be measured may be monocrystalline silicon or polycrystalline silicon. The laser light may be applied to the single crystal silicon or the polycrystalline silicon via an insulating film coated thereon. The intensity of the laser beam applied to the sample to be measured may be 10 4 W / cm 2 or less.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して発明の実施
の形態を説明する。まず、図1乃至図5を参照して第1
の実施例(温度測定方法)を説明する。図1は、熱処理
装置の概略断面図、図2は、シリコン基板にレーザ光を
照射して発生するラマン散乱光のストークス線を示すス
ペクトル図、図3は、所定の温度のシリコン基板にレー
ザ光を照射して発生するラマン散乱光のストークス線を
示すスペクトル図、図4は、ストークス線を表わすスペ
クトルのピーク強度と温度との関係を示す特性図、図5
は、レーザ光の照射時間と照射された部分の温度上昇と
の関係を示す相関図である。図1において、装置内には
電源を備えたアルゴン(Ar)イオンレーザ1、ラマン
分光器2、顕微鏡3、加熱試料台4及び制御用コンピュ
ータ5が設置されている。加熱試料台4には熱電対6が
設置されており、温度計7に温度が表示されるようにな
っている。加熱試料台4上にはシリコン基板などの被測
定試料8を載置する。波長488nmのArレーザ光を
照射し、シリコン基板8上に焦点を結ばせる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, referring to FIG. 1 to FIG.
Example (temperature measurement method) will be described. 1 is a schematic cross-sectional view of a heat treatment apparatus, FIG. 2 is a spectrum diagram showing Stokes lines of Raman scattered light generated by irradiating a silicon substrate with laser light, and FIG. 3 is a laser light on a silicon substrate at a predetermined temperature. FIG. 4 is a spectrum diagram showing Stokes lines of Raman scattered light generated by irradiating light, FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between peak intensity of a spectrum representing Stokes lines and temperature, and FIG.
FIG. 4 is a correlation diagram showing a relationship between a laser light irradiation time and a temperature rise of an irradiated portion. In FIG. 1, an argon (Ar) ion laser 1 having a power supply, a Raman spectroscope 2, a microscope 3, a heated sample table 4, and a control computer 5 are installed in the apparatus. A thermocouple 6 is installed on the heated sample stage 4, and the temperature is displayed on a thermometer 7. A sample to be measured 8 such as a silicon substrate is placed on the heated sample table 4. An Ar laser beam having a wavelength of 488 nm is irradiated to focus on the silicon substrate 8.

【0010】図2は、1分間レーザ光をシリコン基板に
照射して測定したときのストークス線を示すスペクトル
である。縦軸は、ラマン散乱光のピーク強度を表わし、
横軸は、波数(cm-1)を表わす。シリコンの場合、室
温では波数520cm-1付近にストークス線が観察され
る。図3は、ストークス線の温度変化を示す図である。
縦軸は、ラマン散乱光のピーク強度を表わし、横軸は、
波数(cm-1)を表わす。シリコン基板を25℃から1
00℃までのスペクトルを示している。この図によれ
ば、温度が上昇するとピークの半値巾が広がり、ピーク
強度も低下する。半値巾が広がるのは、温度が上昇する
と回転状態の縮退が解けることに起因する。カーブをフ
ィッテイングすることによりピーク強度を検出し、それ
を熱電対で測定した温度に対してプロットしたものが図
4である。二次関数が最も良い一致を示すが、近似的に
は直線と見なすことができる。これを検量線とすること
により、プロセス中のシリコン基板の温度を求めること
ができる。レーザ光を照射して温度を求める際には、レ
ーザ光による温度上昇を考慮しなければならない。図5
は、シリコン基板にArイオンレーザを照射した場合の
照射領域の温度上昇をシミュレーションした結果であ
る。レーザを照射開始から0.1秒程度で温度は上昇
し、すぐに飽和する傾向が読み取れる。飽和する温度
は、当然ながら入射パワー密度に依存し、103 W/c
2 で0.1℃、104 W/cm2 で1℃程度である。
FIG. 2 is a spectrum showing a Stokes line when a silicon substrate is irradiated with a laser beam for one minute and measured. The vertical axis represents the peak intensity of the Raman scattered light,
The horizontal axis represents the wave number (cm -1 ). In the case of silicon, at room temperature, a Stokes line is observed around a wave number of 520 cm -1 . FIG. 3 is a diagram showing a temperature change of the Stokes line.
The vertical axis represents the peak intensity of Raman scattered light, and the horizontal axis represents
Indicates the wave number (cm -1 ). Silicon substrate from 25 ° C to 1
The spectrum up to 00 ° C is shown. According to this figure, when the temperature rises, the half width of the peak increases, and the peak intensity also decreases. The spread of the half width is caused by the fact that the degeneracy of the rotating state is released when the temperature rises. FIG. 4 shows the peak intensity detected by fitting the curve and plotted against the temperature measured with a thermocouple. A quadratic function gives the best match, but can be approximated as a straight line. By using this as a calibration curve, the temperature of the silicon substrate during the process can be obtained. When the temperature is obtained by irradiating a laser beam, the temperature rise due to the laser beam must be considered. FIG.
Is a simulation result of a temperature rise in an irradiation area when the silicon substrate is irradiated with an Ar ion laser. It can be seen that the temperature rises in about 0.1 second from the start of laser irradiation and the tendency to saturate immediately. The temperature of saturation naturally depends on the incident power density, and is 10 3 W / c.
The temperature is about 0.1 ° C. for m 2 and about 1 ° C. for 10 4 W / cm 2 .

【0011】許容される温度上昇は、要求される精度に
依存する。もし精度が10℃で良いという測定ならば、
レーザで1℃上昇しても問題ないであろう。しかしなが
ら、通常の温度測定では、1℃程度の精度が要求される
ことを考えると、レーザによる温度上昇は1℃以下、好
ましくは0.1℃以下に抑えるべきである。したがっ
て、レーザ入射パワー密度は104 W/cm2 以下、好
ましくは103 W/cm 2 以下に抑制することが適当で
ある。これはレーザのパワー密度に対する制限であり、
照射領域を広げれば大きなトータルパワーを投入するこ
とができて充分なラマン信号を得ることが可能である。
以上、実施例では単結晶シリコン基板を用いて説明した
が、本発明は、結晶性の材料ならどのようなものでも良
く、例えば、多結晶シリコン膜、強誘電体メモリに用い
られるPZT膜、同じく強誘電体メモリに用いられるキ
ャパシタ電極のSRO(SrRuO3 )、化合物半導体
であるGaAs、InPなどを適用することができる。
[0011] The allowable temperature rise can be adjusted to the required accuracy.
Dependent. If the accuracy is good at 10 ° C,
A 1 ° C. increase with laser would be no problem. However
Therefore, in the ordinary temperature measurement, an accuracy of about 1 ° C. is required.
Considering that, the temperature rise by the laser is
Preferably, it should be kept below 0.1 ° C. Accordingly
And the laser incident power density is 10FourW / cmTwoBelow, good
Preferably 10ThreeW / cm TwoIt is appropriate to suppress
is there. This is a limitation on the power density of the laser,
Larger total power can be input by expanding the irradiation area
As a result, a sufficient Raman signal can be obtained.
As described above, the embodiments have been described using the single crystal silicon substrate.
However, the present invention can be applied to any crystalline material.
For example, used for polycrystalline silicon film, ferroelectric memory
PZT film, which is also used for ferroelectric memory
SRO (SrRuO) of capacitor electrodeThree), Compound semiconductor
GaAs, InP or the like can be applied.

【0012】次に、本発明の温度測定方法を半導体装置
の製造方法に適用した第2の実施例を説明する。強誘電
体メモリ(FRAM)を構成する強誘電体キャパシタ
は、例えば、PZT膜をシリコン基板上に形成してい
る。PZT膜が強誘電特性を有するにはこれが結晶性で
なければならない。したがって、PZT膜をアモルファ
ス状態から結晶化させることは重要な工程である。図7
は、PZT膜を結晶化方法させる工程を説明する半導体
基板の断面図である。P型シリコン(100)基板(ウ
ェーハ)10を酸素雰囲気中950℃で熱処理して熱酸
化膜11を形成する。この上にTi膜12をスパッタリ
ングにより形成する。スパッタリングは、Tiターゲッ
トをArでスパッタリングするものであり、スパッタリ
ング時のウエーハ10は室温に維持されている。Ti膜
(接合層)12の膜厚は30nmである。その上に膜厚
200nmのPt膜(下地電極)13を形成する。Pt
膜13もArガスを用いたスパッタリングで形成され
る。このPt膜13上にPZT膜14がスパッタリング
により形成される。PZT膜14のスパッタリングは、
Arガスを用いて室温で行い、膜厚は200nmとす
る。スパッタリングは、室温で行ったので、アモルファ
ス状態にある。
Next, a description will be given of a second embodiment in which the temperature measuring method of the present invention is applied to a method of manufacturing a semiconductor device. A ferroelectric capacitor constituting a ferroelectric memory (FRAM) has, for example, a PZT film formed on a silicon substrate. For a PZT film to have ferroelectric properties, it must be crystalline. Therefore, crystallizing the PZT film from an amorphous state is an important step. FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate for explaining a step of crystallizing a PZT film. A P-type silicon (100) substrate (wafer) 10 is heat-treated at 950 ° C. in an oxygen atmosphere to form a thermal oxide film 11. A Ti film 12 is formed thereon by sputtering. In sputtering, a Ti target is sputtered with Ar, and the wafer 10 during sputtering is maintained at room temperature. The thickness of the Ti film (bonding layer) 12 is 30 nm. A Pt film (underlying electrode) 13 having a thickness of 200 nm is formed thereon. Pt
The film 13 is also formed by sputtering using Ar gas. On this Pt film 13, a PZT film 14 is formed by sputtering. The sputtering of the PZT film 14
The treatment is performed at room temperature using Ar gas, and the film thickness is 200 nm. Since the sputtering was performed at room temperature, it is in an amorphous state.

【0013】このウエーハ10を熱処理装置に搭載す
る。その後、酸素を流しながら1秒間30℃の速度で昇
温し650℃に到達後30秒間保持した。ウエーハ10
は、その後室温まで冷却させて結晶化を終了する。この
結晶化処理期間中において温度を一定にすることはウェ
ーハ上の成膜を均一な特性に維持させる上で必要であ
り、基板温度を逸早く検知して温度調節を速やかに行わ
なければならない。そこで、この結晶化処理に本発明の
温度測定方法を適用する。つまり、結晶性のPZT膜へ
レーザ光を照射して放出されるラマン散乱光のストーク
ス線のピーク波数値とその時のPZT膜の温度とをあら
かじめ算出して両者の関係を求めておき、結晶化が進ん
だ所望の時点でこのPZT膜へレーザ光を照射してラマ
ン散乱光のストークス線の波数を測定し、この値を前記
ピーク波数値と温度との関係と照合させてその時のPZ
T膜の温度を測定するというものである。
The wafer 10 is mounted on a heat treatment apparatus. Thereafter, the temperature was increased at a rate of 30 ° C. for 1 second while flowing oxygen, and the temperature was maintained at 650 ° C. for 30 seconds. Wafer 10
Is then cooled to room temperature to complete the crystallization. It is necessary to keep the temperature constant during this crystallization process in order to maintain uniform film formation on the wafer, and it is necessary to detect the substrate temperature quickly and adjust the temperature promptly. Therefore, the temperature measurement method of the present invention is applied to this crystallization treatment. That is, the peak value of the Stokes line of the Raman scattered light emitted by irradiating the crystalline PZT film with the laser beam and the temperature of the PZT film at that time are calculated in advance, and the relationship between the two is determined. At a desired point in time, the PZT film is irradiated with laser light, the wave number of the Stokes line of the Raman scattered light is measured, and this value is compared with the relationship between the peak wave number and the temperature to determine the PZ at that time.
That is, the temperature of the T film is measured.

【0014】この方法によれば、従来のようにアンチス
トークス線を用いないので、測定が短時間で完了する。
結晶化終了後、PZT膜状面にキャパシタパターンに測
定する部分に穴のあいた、いわゆるメタルマスクを乗
せ、上部電極であるPt膜(膜厚20nm)15をスパ
ッタリングによって形成する。メタルマスクを除去する
と、ウエーハ全面にキャパシタパターン状にPt膜15
が形成されており、これで強誘電体キャパシタの製作が
完了ということになる。このように形成された強誘電体
キャパシタは、シリコン基板に作り込まれているトラン
ジスタとともにFRAMを構成する。本発明では、ラマ
ン散乱光を発生させるレーザ光にArイオンレーザを用
いたが、この他に色素レーザなどを用いることができ
る。
According to this method, the measurement is completed in a short time because no anti-Stokes line is used unlike the conventional method.
After the crystallization, a so-called metal mask having a hole in a portion to be measured in the capacitor pattern is placed on the PZT film-like surface, and a Pt film (thickness: 20 nm) 15 serving as an upper electrode is formed by sputtering. When the metal mask is removed, the Pt film 15 is formed in a capacitor pattern over the entire surface of the wafer.
Are formed, and this completes the fabrication of the ferroelectric capacitor. The ferroelectric capacitor thus formed constitutes an FRAM together with a transistor formed on a silicon substrate. In the present invention, the Ar ion laser is used as the laser light for generating the Raman scattered light, but a dye laser or the like may be used in addition to this.

【0015】[0015]

【発明の効果】本発明は、以上のような構成により、ラ
マン散乱光の波数が温度によってシフトする現象を利用
しているので、従来のようにアンチストークス線を用い
ず測定が短時間で完了する。またピーク波数の温度依存
性を利用しており、光量測定しないので熱処理装置の窓
の汚れなどによる影響を受けることがない。さらに焦点
がずれることによる光量の減少などの影響も受けること
がない。
According to the present invention, the above configuration utilizes the phenomenon that the wave number of Raman scattered light shifts with temperature, so that the measurement can be completed in a short time without using an anti-Stokes line as in the prior art. I do. In addition, since the temperature dependency of the peak wave number is used, and the light quantity is not measured, there is no influence from the contamination of the window of the heat treatment apparatus. Further, there is no influence of a decrease in the amount of light due to the defocus.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のラマン分光を用いた温度測定を行う熱
処理装置の概略断面図。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a heat treatment apparatus for performing temperature measurement using Raman spectroscopy of the present invention.

【図2】本発明を説明するラマン散乱光のスペクトル
図。
FIG. 2 is a spectrum diagram of Raman scattered light for explaining the present invention.

【図3】本発明を説明する種々の温度におけるラマン散
乱スペクトル図。
FIG. 3 is a diagram of Raman scattering spectra at various temperatures for explaining the present invention.

【図4】本発明を説明する温度によるラマンシフトの変
化を示す特性図。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a change in Raman shift with temperature for explaining the present invention.

【図5】レーザ光の照射時間と照射された部分の温度上
昇との関係を示す相関図。
FIG. 5 is a correlation diagram showing a relationship between a laser light irradiation time and a temperature rise of an irradiated portion.

【図6】ラマン散乱光の強度を説明する特性図。FIG. 6 is a characteristic diagram illustrating the intensity of Raman scattered light.

【図7】本発明を適用するPZT膜が形成された半導体
基板の断面図。
FIG. 7 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate on which a PZT film to which the present invention is applied is formed.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・Arイオンレーザ、 2・・・ラマン分光器、
3・・・顕微鏡、4・・・加熱試料台、 5・・・コ
ンピュータ、 6・・・熱電対、7・・・熱電対温度
計、 8、10・・・シリコン基板、11・・・熱酸化
膜、 12・・・Ti膜(接合層)、13・・・Pt膜
(下地電極)、 14・・・PZT膜、15・・・Pt
膜(上部電極)。
1 ... Ar ion laser, 2 ... Raman spectrometer,
3 ... microscope, 4 ... heated sample stage, 5 ... computer, 6 ... thermocouple, 7 ... thermocouple thermometer, 8, 10 ... silicon substrate, 11 ... heat Oxide film, 12 ... Ti film (junction layer), 13 ... Pt film (base electrode), 14 ... PZT film, 15 ... Pt
Membrane (top electrode).

フロントページの続き (72)発明者 八木下 淳史 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 奥村 勝弥 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Fターム(参考) 2F056 VF01 VF11 VF17 4M106 AA01 BA05 DH02 DH11 DH15 DH32 DH44 DH46 DH60 DJ11Continuation of the front page (72) Inventor Atsushi Yagishita 8 Shinsugita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture Inside the Toshiba Yokohama Office (72) Inventor Katsuya Okumura 8 Shinsugita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Toshiba Yokohama Co., Ltd. In-house F-term (reference) 2F056 VF01 VF11 VF17 4M106 AA01 BA05 DH02 DH11 DH15 DH32 DH44 DH46 DH60 DJ11

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 結晶性の被測定試料へレーザ光を照射し
て放出されるラマン散乱光のストークス線のピーク波数
値とその時の前記被測定試料の温度とをあらかじめ算出
して前記ピーク波数値と前記温度との関係を求めるステ
ップと、 前記被測定試料へレーザ光を照射してラマン散乱光のス
トークス線の波数を測定し、この値を前記ピーク波数値
と温度との関係と照合させて前記被測定試料の温度を測
定するステップとを具備していることを特徴とする温度
測定方法。
1. A peak wave numerical value of a Stokes line of Raman scattered light emitted by irradiating a laser light to a crystalline sample to be measured and a temperature of the sample to be measured at that time are calculated in advance. And the step of obtaining a relationship between the temperature, and irradiating the sample to be measured with laser light to measure the wave number of the Stokes line of the Raman scattered light, and comparing this value with the relationship between the peak wave number and the temperature Measuring the temperature of the sample to be measured.
【請求項2】 前記被測定試料は、単結晶シリコン又は
多結晶シリコンであることを特徴とする請求項1に記載
の温度測定方法。
2. The temperature measuring method according to claim 1, wherein the sample to be measured is single crystal silicon or polycrystalline silicon.
【請求項3】 前記レーザ光は、前記単結晶シリコン又
は多結晶シリコンに、その上に被覆された絶縁膜を介し
て照射されることを特徴とする請求項2に記載の温度測
定方法。
3. The temperature measuring method according to claim 2, wherein the laser light is applied to the single crystal silicon or the polycrystalline silicon via an insulating film coated thereon.
【請求項4】 前記被測定試料に照射されるレーザ光強
度は、104 W/cm2 以下であることを特徴とする請
求項1乃至請求項3のいずれかに記載の温度測定方法。
4. The temperature measuring method according to claim 1, wherein the intensity of the laser beam applied to the sample to be measured is 10 4 W / cm 2 or less.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6786637B2 (en) * 2002-09-13 2004-09-07 The University Of Bristol Temperature measurement of an electronic device
JP2017500568A (en) * 2013-12-18 2017-01-05 サーモ サイエンティフィック ポータブル アナリティカル インスツルメンツ インコーポレイテッド Explosive material detection by Raman spectroscopy
CN114184303A (en) * 2021-12-28 2022-03-15 中国航空工业集团公司北京长城航空测控技术研究所 A temperature measurement method and system based on the half-peak of Raman scattering of silicon carbide

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