CN1645575A - 光照射热处理方法及光照射热处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明使光照射开始后的温度上升工序(开路控制工序)中的光照射强度具有分布，通过减轻被加热体的温度偏差可降低被加热体所受应力。本发明是一种光照射热处理方法，在容器内支持被加热体，通过上述被加热体的一个表面相对设置的平面状的光照射加热部件来热处理被加热体，其包括：从光照射加热部件向被加热体照射平面上具有强度分布的光，使被加热体的温度上升的工序。光照射开始后的开路控制工序中，通过对多个区域逐一设定光照射强度，可降低被加热体的温度偏差。从而，可以减轻应力，无变形、歪斜、弯曲、龟裂等并抑制埋入被加热体的半导体装置的特性变动，降低可靠性不良。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置的制造工序中的光照射热处理方法及光照射热处理装置。
背景技术
灯型的光照射热处理装置，在半导体制造工序中例如用于阈值控制用的注入、源极·漏极等的离子注入后的杂质活化，基于高熔点金属膜的硅化物化、金属硅化物的低电阻化等的短时间热处理。该类型的热处理装置的代表结构是采用多个灯，从两面或一面加热板状被加热体。灯与被加热体表面相对地间隔短距离，以相同密度配置多个。如半导体基板的被加热体以大致一定的温度加热时反馈控制灯的光照射强度，以将被加热体维持在规定温度。此时，热处理装置中，通过被加热体两面或一面侧附近设置的多个高温计来测定加热的被加热体辐射的电磁波的波长并换算成温度。象这样反馈高温计的测定温度并控制光照射强度的部分称为闭路控制工序。该闭路控制工序在从被加热体获得足够的辐射强度、一定的温度以上有效。该温度通常在300到600度以上。
另一方面，光照射热处理装置开始处理被加热体的初期阶段中，有以一定的光照射强度将被加热体升温到闭路控制工序可控制的温度300-600度的步骤，该工序称为开路控制工序。以上，光照射热处理由该开路控制工序和闭路控制工序构成。
另外，光照射热处理工序中由于短时间升到高温导致被加热体被施加应力，考虑缓和该问题的技术记载在例如(特开平11-214323号公报)。
但是，上述传统的技术中，光照射热处理装置内的光照射开始后的开路控制工序中，由于在一定的光照射强度急速加热被加热体，因而，例如半导体基板等的被加热体面内等因位置的不同导致温度上升速度也通常不相同，产生温度分布。因而，被加热体受到应力，发生变形、歪斜、弯曲、龟裂等。另外，根据情况，被加热体被引入结晶缺陷，有导致埋入被加热体的半导体基板的半导体元件的特性偏差以及可靠性不良等的问题。
发明内容
本发明的目的是提供：根据被加热体构成材料的热传导率和关系的电阻率，使开路控制工序的光照射强度分布，温度上升时通过降低被加热体的温度偏差来减轻施加到被加热体的应力，可制造无变形、歪斜、弯曲、龟裂等、无特性变动、高可靠性的半导体装置的光照射热处理方法及光照射热处理装置。
为了达到上述目的，第1发明的光照射热处理方法，在容器内支持被加热体，通过被加热体的一个表面相对设置的平面状的光照射加热部件来热处理被加热体，其包括：从光照射加热部件向被加热体照射平面上具有强度分布的光，使被加热体的温度上升的工序。
根据该构成，光照射开始后的开路控制工序中，通过对多个区域逐一设定光照射强度，可降低被加热体的温度偏差。从而，可以减轻应力，无变形、歪斜、弯曲、龟裂等并抑制埋入被加热体的半导体装置的特性变动，降低可靠性不良。
第2发明的光照射热处理方法，在容器内支持被加热体，通过被加热体的一个表面相对设置的平面状的光照射加热部件来热处理被加热体，其包括：被加热体的电阻率不足1Ω·cm、从光照射加热部件向被加热体照射平面上具有相同强度的光，使被加热体的温度上升的工序。
根据该构成，光照射开始后的开路控制工序中，通过将光照射强度设定成相同，可降低被加热体的温度偏差。但是在低电阻的场合，基板对温度变化、温度分布的响应快，因而若光照射强度具有分布，则该分布直接反映被加热体内温度分布，因而最好令光照射强度一样。
第3发明的光照射热处理方法，是在第1发明的光照射热处理方法中包括：使被加热体的温度上升的工序后，从光照射加热部件向被加热体照射平面上具有相同强度的光来进行热处理的工序。
根据该构成，可以进行反馈测定温度、控制光照射强度的闭路控制工序，使得从被加热体获得充分辐射强度，维持规定的温度。
第4发明的光照射热处理方法，是在第1发明的光照射热处理方法中，被加热体的电阻率为1Ω·cm以上，来自光照射加热部件的光强度分布为其周边部的光强度小于其中心部的光强度。
根据该构成，可有效降低光照射开始后由于温度偏差变大使基板温度急剧上升引起的被加热体的应力。
第5发明的光照射热处理方法，在容器内支持被加热体，通过被加热体的一个表面相对设置的平面状的光照射加热部件来热处理被加热体，其包括：从光照射加热部件向被加热体照射平面上具有与被加热体的电阻率对应的光强度分布的光，使被加热体的温度上升的工序。
根据该构成，光照射开始后的开路控制工序中，可获得与第1发明同样的作用效果，同时，可根据被加热体的电阻率分割成更多的区域，逐个区域地控制光照射强度。
第6发明的光照射热处理方法，是在第1、3、4或5发明的光照射热处理方法中，被加热体的电阻率为1Ω·cm以上，被加热体为圆形状，来自光照射加热部件的平面光强度分布为同心圆状的分布。
根据该构成，可形成与离被加热体的中心的距离对应的光强度分布。
第7发明的光照射热处理装置，包括：支持容器内设置的被加热体的支持体；在支持体支持的被加热体的一个表面相对设置的平面状的光照射加热部件；在被加热体的一个表面的相反侧的另一表面相对设置的温度测定部件；根据被加热体的电阻率，控制光照射加热部件的平面内的光照射强度分布使温度测定部件测定的温度达到规定的温度的光照射强度控制部件。
根据该构成，通过由光照射强度控制部件对多个区域逐一设定光照射强度，可降低被加热体的温度偏差。从而，可减轻应力，无变形、歪斜、弯曲、龟裂等并抑制埋入被加热体的半导体装置的特性变动，降低可靠性不良。
第8发明的光照射热处理装置，包括：支持容器内设置的被加热体的支持体；在支持体支持的被加热体的一个表面相对设置的平面状的光照射加热部件；在被加热体的一个表面的相反侧的另一表面相对设置的温度测定部件；进行被加热体的电阻率测定的电阻率测定部件；根据电阻率测定部件测定的被加热体的电阻率，控制光照射加热部件的平面内的光照射强度分布使温度测定部件测定的温度达到规定的温度的光照射强度控制部件。
根据该构成，可获得与第7发明同样的作用效果，同时可根据电阻率测定部件测定的被加热体的电阻率来分多个区域地自动设定被加热体的光照射强度。
第9发明的光照射热处理装置，是在7或8所述的光照射热处理装置中：光照射加热部件由多个加热灯平面排列的集合体所构成，加热灯的集合体分割成平面的多个区域，各个区域可设定相互独立的光照射强度。
根据该构成，可自动地设定灯的各个集合区域应照射的光强度，使多个灯集合的光照射强度产生分布。
在第10发明的光照射热处理装置，是在第7或8发明的光照射热处理装置中，光照射强度控制部件在被加热体的电阻率为1Ω·cm以上时控制从光照射加热部件照射平面上具有光照射强度分布的光，在被加热体的电阻率不足1Ω·cm时控制从光照射加热部件照射平面相同光照射强度的光。
根据该构成，按照被加热体的电阻率，可降低光照射开始后的被加热体的温度偏差。即，被加热体的电阻率为1Ω·cm以上时，使光照射强度具有分布可减少被加热体内的温度差，为1Ω·cm以下时，若光照射强度具有分布则该分布直接反映被加热内的温度，因而可以使光照射强度相同。
第11发明的光照射热处理装置，是在第9发明的光照射热处理装置中，被加热体是半导体基板，加热灯的集合体分割成平面同心圆状的多个区域。
根据该构成，可形成与离被加热体的中心的距离对应的光强度分布。
附图说明
图1是本发明的实施例中的光照射热处理装置的概略图。
图2是本发明的实施例中的光照射热处理装置的灯配置平面图。
图3是本发明的实施例中的光照射热处理装置的灯的光强度控制区域的示意图。
图4是本发明的实施例中的灯的光照射强度分布示意图。
图5是传统的热处理的被加热体的温度时间的变化示意图。
图6是灯和对被加热体测定温度的高温计的相对的位置的示意图。
图7是传统例中灯进行光照射时的被加热体的变形情况的示意图。
图8是采用本发明的实施例的光照射热处理方法的被加热体的温度时间变化的示意图。
图9是被加热体的电阻率和最大温度差的关系示意图。
具体实施方式
根据图1～图7说明本发明的实施例。图1是本发明的实施例的灯型光照射热处理装置的概略截面图。
如图1所示，该光照射热处理装置包括：支持容器内设置的被加热体103的支持体102；支持体102支持的被加热体103的一个表面相对设置的平面状的光照射加热部件101；被加热体103的一个表面的相反侧的另一表面相对设置的温度测定部件104；根据被加热体103的电阻率，控制光照射加热部件101的平面内的光照射强度分布，使温度测定部件104测定的温度达到规定的温度的光照射强度控制部件。
该场合，装置上平面状地排列用于加热、升温被加热体，具体为板状基板的多个圆筒状的灯(光照射加热部件)101，由被加热体支持体102支持被加热体103，与多个灯101相对。该支持体102仅仅在其最周边支持被加热体103，被加热体103的背面呈露出的状态。
设置测定温度的多个高温计(温度测定部件)104，与灯101相对并夹持被加热体103。高温计104测定被加热体103辐射的波长，从测定的波长的值换算被加热体103的温度。惰性气体从惰性气体导入口105沿被加热体103的表面流动，从惰性气体排气口106被废弃，排气口端与排气泵107连接。而且，光照射热处理时，被加热体103设置成与支持体102共同旋转的机构。
图2是图1的光照射热处理装置中的灯的平面配置图。图2中多个小圆表示灯的配置，圆内记载的1到12的编号表示可独立控制供给灯101的功率的区域有12个。即，本发明的实施例的热处理装置中的灯101可构成为其功率在12个区域可独立控制。另外，108的圆表示与灯101相对载置的被加热体103即半导体基板为8英寸口径时的位置，109的圆表示被加热体支持体102的外缘位置。
说明采用以上构成的光照射热处理装置的本发明的实施例的光照射热处理方法。即，包括：以一定的光照射强度升温被加热体103到高温计104的可控制温度为止的开路控制工序；由高温计104测定被加热体103辐射的波长，从该波长的值换算被加热体103的温度，调节灯101的光照射强度的闭路控制工序。
具体地说，被加热体103为半导体基板的场合，加热用灯的独立功率控制区域如图3所示分成3个。即灯的光照射强度分布分割成3个区域。即，在相对的基板周围内侧且以离基板中心的距离201为半径(8英寸口径的基板半径的约80％)的圆的区域203和在基板周围内侧且为区域203以外的区域204，以及基板的外部区域205。另外，半径202与8英寸口径基板的外周大致相同。这样，被加热体103为圆形状，来自光照射加热部件的平面光强度分布成同心圆状的分布。
实际对基板进行热处理时，基板(硅)的电阻率为1Ω·cm以上的场合，光照射开始后的开路控制工序中，如图4A所示，令区域204及区域205中的灯投入相同功率，照射相同光照射强度，并令区域203的光照射强度大于区域204及区域205。另外，基板(硅)的电阻率小于1Ω·cm的场合，光照射开始后的开路控制工序中，如图4B所示，向各个灯投入相同功率，使光照射强度在区域203、区域204、区域205的所有区域中成为一定。
图5是传统热处理的被加热体的温度时间的变化示意图，其表示出：象传统一样向图1的多个灯101的全部输入一样的相同功率，采用如图4B的一样的光强度分布对基板执行加热用的光照射而获得的基板的温度上升的时间变化。图的横轴是光照射热处理时间，纵轴的第一轴是将由图1所示高温计104测定加热的基板辐射的波长换算成温度后的基板的温度，T1、T6是分别表示各个基板的中心、周边相对的位置设置的高温计的记号。该T1和T6的测定位置如图6所示。T1与基板中心的温度对应，T6与周边部的温度对应。图中黑圈表示装置上安装的高温计的位置，T1～T6表示高温计的记号。另外，纵轴的第二轴基板面内的温度的最高部分和最低部分的温度差，其用delta表示。另外，采用的材料是CZ-Si基板(电阻率：1-10Ω·cm)，是通常半导体装置制作时一般广泛采用的基板。
开路控制工序中，采用传统的图4B所示光照射强度分布时，如图5的0～15sec间的测定温度所示，光照射开始后温度偏差变大。这是因为，急剧的温度上升导致力学应力施加到基板而使基板变形，结果，基板在图1的支持体102上跳动导致上部灯光在基板周边和支持体102的间隙泄漏，直接入射高温计104，因而周边的温度(T6)上升。这里，光照射开始后4秒的时刻发生光的泄漏。
发生这样的问题的场合的模式图如图7所示。多个灯是501，被加热体支持体是502，多个高温计是503，正常位置的被加热体是504，变形产生跳动后的被加热体是505，结果，基板和支持体的隙间泄露的上部的灯光是506。这样，光506入射位于周边的高温计T6，测定出比中心高的温度。
从而，这里测定的温度不是基板的真实温度，而是灯光泄漏导致的误测定的温度，该状态下无法向灯的输入功率控制正确反馈测定温度。该温度偏差由于是由被加热体的变形产生的，因而可作为应力有无的判断指标。
另一方面，图8是本发明实施例的热处理的被加热体的温度时间的变化示意图。表示在采用本发明实施例的基板的热处理方法时即光照射开始后的开路控制工序中，对图1的光照射热处理装置中的多个灯101进行功率控制以形成图4A所示光照射强度分布时的基板温度变化。图8的实验中使用的半导体基板与图5同样，电阻率为1-10Ω·cm。灯的排列中，若中心部光照射强度高，周边部低，则如图8所示，可减少基板的周边(T6)和中心(T1)的温度差(图8的0～20秒左右的期间)这是因为，象传统的光照射加热一样急速的基板温度上升引起的应力减小，基板的弯曲等几乎不发生，加热用灯光不直接入射高温计。
本发明的实施例的一种基板热处理方法中，在最初的光照射开始后的开路控制工序中，以图4A所示光照射强度分布加热基板使其温度上升，基板达到一定的温度以上或加热时间经过一定时间后，以与图4B所示一样的光照射强度分布进行闭路控制工序。
图9是被加热体的电阻率和最大温度差的关系图。表示以图4A所示光照射强度分布对具有各种电阻率的基板材料执行光照射急速热处理的开路控制工序的结果。图的最大温度差是位于图6的T1和T6的高温计测定的温度差。基板的直径是8英寸，thermal SiO2在硅基板上形成热氧化膜，SiN在硅基板上形成SiN膜，P-/Pepi-Si在硅基板生长成中浓度的P型外延层，P+/Pepi-Si在高浓度硅基板上形成中浓度P型外延生长层，dopedPolySi在硅基板上形成导入了磷、硼、砷等的多晶硅膜。
其结果，电阻率为1Ω·cm以上时，光照射开始后的开路控制工序中，令加热用的光照射强度具备如图4A所示分布可有效降低被加热体的应力。被加热体内的最大温度差若在70度以上，则一般的半导体装置特性和可靠性被显著影响，因而，最大温度差在70度以下、整个基板的电阻率为1Ω·cm以上成为实施具有光照射强度分布的开路控制工序的基准。
接着，基板中的电阻率为1Ω·cm以下时，最大温度差虽然成为70度以上，但是在低电阻的场合，基板对温度变化、温度分布的响应快，因而若灯的光照射强度具有分布，则该分布直接反映基板内温度分布。从而，本发明的实施例中，基板的大部分的电阻率为1Ω·cm以下时，令热处理装置的灯的光照射强度一样，进行开路控制工序。
如上所述的实施例中，基板中的电阻率为1Ω·cm以上时，将灯的光照射强度如图4A所示地分割成区域203和区域204+区域205的2个区域，但是，也可以根据半导体基板等被加热体的电阻率分割成更多的区域，控制各个区域的投入功率、光照射强度，形成强度分布。
本发明实施例的光照射热处理装置如图1所示，但是根据热处理的开路控制工序相关的图9的实验结果等，可采用追加了以下部件的装置，即光照射热处理执行前进行被加热体的电阻率测定的部件(电阻率测定部件)和根据被加热体的测定电阻率自动地设定各个灯的集合区域应该照射的光强度、以便被加热体相对的平面状设置的多个灯集合的光照射强度产生分布的部件(光照射强度控制部件)。求出被加热体的电阻率和热处理的开路控制工序中使被加热体内的最大温度差成为70度以下的灯集合的光照射强度分布的关系，并将其预先输入上述的光强度分布自动设定部件，则可实现上述装置。
Claims (11)
1.一种光照射热处理方法，在容器内支持被加热体，通过上述被加热体的一个表面相对设置的平面状的光照射加热部件来热处理上述被加热体，其包括：
从上述光照射加热部件向上述被加热体照射平面上具有强度分布的光，使上述被加热体的温度上升的工序。
2.一种光照射热处理方法，在容器内支持被加热体，通过上述被加热体的一个表面相对设置的平面状的光照射加热部件来热处理上述被加热体，其包括：
上述被加热体的电阻率不足1Ω·cm、从上述光照射加热部件向上述被加热体照射平面上具有相同强度的光，使上述被加热体的温度上升的工序。
3.权利要求1所述的光照射热处理方法，其特征在于包括：
使上述被加热体的温度上升的工序后，从上述光照射加热部件向上述被加热体照射平面上具有相同强度的光来进行热处理的工序。
4.权利要求1所述的光照射热处理方法，其特征在于：
上述被加热体的电阻率为1Ω·cm以上，来自上述光照射加热部件的光强度分布为其周边部的光强度小于其中心部的光强度。
5.一种光照射热处理方法，在容器内支持被加热体，通过上述被加热体的一个表面相对设置的平面状的光照射加热部件来热处理上述被加热体，其包括：
从上述光照射加热部件向上述被加热体照射平面上具有与上述被加热体的电阻率对应的光强度分布的光，使上述被加热体的温度上升的工序。
6.权利要求1、3、4或5所述的光照射热处理方法，其特征在于：
上述被加热体的电阻率为1Ω·cm以上，上述被加热体为圆形状，来自上述光照射加热部件的平面光强度分布为同心圆状的分布。
7.一种光照射热处理装置，包括：
支持容器内设置的被加热体的支持体；
在上述支持体支持的被加热体的一个表面相对设置的平面状的光照射加热部件；
在上述被加热体的一个表面的相反侧的另一表面相对设置的温度测定部件；
根据上述被加热体的电阻率，控制上述光照射加热部件的平面内的光照射强度分布使上述温度测定部件测定的温度达到规定的温度的光照射强度控制部件。
8.一种光照射热处理装置，包括：
支持容器内设置的被加热体的支持体；
在上述支持体支持的被加热体的一个表面相对设置的平面状的光照射加热部件；
在上述被加热体的一个表面的相反侧的另一表面相对设置的温度测定部件；
进行上述被加热体的电阻率测定的电阻率测定部件；
根据上述电阻率测定部件测定的上述被加热体的电阻率，控制上述光照射加热部件的平面内的光照射强度分布使上述温度测定部件测定的温度达到规定的温度的光照射强度控制部件。
9.权利要求7或8所述的光照射热处理装置，其特征在于：
上述光照射加热部件由多个加热灯平面排列的集合体所构成，上述加热灯的集合体分割成平面的多个区域，各个区域可设定相互独立的光照射强度。
10.权利要求7或8所述的光照射热处理装置，其特征在于：
上述光照射强度控制部件，在上述被加热体的电阻率为1Ω·cm以上时控制从上述光照射加热部件照射平面上具有光照射强度分布的光，在上述被加热体的电阻率不足1Ω·cm时控制从上述光照射加热部件照射平面上具有相同光照射强度的光。
11.权利要求9所述的光照射热处理装置，其特征在于：
上述被加热体是半导体基板，上述加热灯的集合体分割成平面同心圆状的多个区域。
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