JP2004536457A - フラッシュアニール - Google Patents

Abstract

本発明は、処理中に半導体ウエハまたは基板のアクティブ層を一様に加熱する方法及び制御可能に加熱する方法に関する。本発明は、放射エネルギー源を含んでもよく、それは反射／吸収表面によって概ね取り囲まれて封入されており、エネルギー源より発光される放射エネルギーを反射及び吸収する。本発明によれば、ウエハに見られるように結果的なエネルギー出力が概ね一様である。

Description

【０００１】
本発明は、２０００年５月９日の米国特許出願番号０９／５６８，４５０の一部継続出願であり、ここに参照したことで本願の一部とする。
【０００２】
（発明の所属する分野）
本発明は半導体製造装置に関し、さらに詳しくは半導体ウエハの高速熱処理システム及び方法に関する。
【０００３】
（従来技術）
寸法の小さな半導体素子を製造するために、新規な処理及び製造技術が開発されてきた。新規の技術に要求される１つの重要ポイントは、半導体ウエハが処理中に高温度に晒される時間を短縮することである。このような要求に応えるために設計された１つの処理技術として、高速熱処理（ＲＴＰ）が既知である。高速処理技術は、典型的にはウエハの温度を瞬時に上昇させ、製造プロセスを良好に実行するのに十分な時間、その温度を維持する過程を有する一方で、高い処理温度で発生する所望としないドーパントの拡散のような問題を回避する。
【０００４】
一般的に従来方式のＲＴＰシステムは、半導体ウエハ全体を加熱するために光源及びリフレクターを用いる。通常、光源はハロゲンランプのバンクであり、放射エネルギーを放出し、リフレクターによってウエハ上に焦点あわせをされる。
【０００５】
従来方式のハロゲンランプベースＲＴＰシステムは、ウエハ表面上のアクティブ層にわたって一様な温度分布を達成しまた維持することに関して、少なからぬ欠点を有する。例えばハロゲンランプはフィラメントを有し、そのことで帯域の広い放射が生成される。フィラメントに対してより強い電力を供給することによって、ランプ強度が増加し得る。しかしシリコンウエハは短波長の有効バンドを用いることで加熱され、この帯域の外側波長に対してはトランスペアレントとなる。典型的なハロゲンランプ動作では、ランプよりの放射が有効波長のほとんど外側となってしまう。結果として適用される電力の多くが無駄になる。
【０００６】
フィラメントタイプのランプに関する別の欠点は、通常は独立して制御不能な広い波長分布を生成することである。結果として、温度の揺らぎがウエハ表面に発生してしまい、そのことで高温（例えば１０００℃まで）で様々なランプ配置のウエハにおいて、結晶欠陥やスリップディスロケーション（ｓｌｉｐ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）を引き起こし得る。
【０００７】
ハロゲンランプベースのシステムの欠点に対する１つの解決手段が米国特許番号５，８９３，９５２．に開示されている。前記明細書中では、高ワットレーザーにより生成された電磁線の帯域幅の狭いビームを用いてウエハの高速熱処理を行う装置が開示されている。ビームは薄い吸収フィルムを介してウエハに配向されており、フィルムはビームよりのほとんどのエネルギーを吸収し、次にウエハに熱を放射する。不運なことに、上記の装置は幾つかの制限及び欠点を有する。例えば薄膜のフィルムの厚さが正確に決定されなければならない。もし薄膜フィルムが薄すぎるとビームよりのエネルギーはウエハに直接透過されてしまい、また薄膜フィルムが厚すぎる場合フィルムは高速熱処理に十分な速度で過熱されない。フィルムは時間の経過によって質が下がらないように用いられ、また加熱時にスパッタリング、気泡、または脱ガスを起こしてはならず、そうでなければ結果として吸収が不均一となる。このような薄膜吸収フィルムのためには、薄膜フィルム材料が限定される。結果として、同一のＲＴＰ装置によるウエハの加熱がそれぞれ異なりまた予測不可能になってしまい、そのことで時間と材料の双方を消費する。
【０００８】
（発明の要約）
本発明は、処理中に半導体ウエハまたは基板のアクティブ層を一様にまた制御可能に加熱する方法に関する。本発明は、放射エネルギー源を含んでもよく、それは反射／吸収表面によって概ね取り囲まれて封入されており、エネルギー源より発光される放射エネルギーを反射及び吸収する。本発明によれば、ウエハに見られるように結果的なエネルギー出力が概ね一様である。都合の良いことに、結果として生じるエネルギーがウエハ表面のアクティブ層のみを加熱するべくウエハ上に一様に広がり得る。結果として生じるエネルギーがウエハの直径にわたりで一様であるので、顕著な加熱オーバーラップは存在しない。
【０００９】
本発明によれば、結果として生じるエネルギーは非常に高い強度で提供され得り、そのようなわけで短い露出時間のみが基板のアクティブ層加熱に必要とされる。この過程は“フラッシュ”アニールプロセスと呼ばれており、それは基板アクティブ層を結晶化する過程、前記アクティブ層をドーピングする過程、またはアクティブ層を熱処理する過程とを含んでも良い。任意に、本発明が連続的な熱に対する露出を提供しても良く、そのことで基板のバルクが過熱されることを可能とする。
【００１０】
本発明の一側面によれば、基板の高速熱処理のためのシステムが提供される。システムはリフレクタによって取り囲まれた放射エネルギー源を有し、放射エネルギーが基板表面に衝当し、基板のアクティブ層を加熱するようにする。基板表面は概ね瞬間的な反応時間の放射エネルギーによって衝当される。
【００１１】
本発明は別の側面によれば、放射エネルギー源及びリフレクタを含む室が提供される過程と、第１の焦点で放射エネルギー源よりの放射エネルギーを焦点合わせし、概ね瞬間的に基板表面に衝当させて基板のアクティブ層を加熱する過程とを含んで提供される、基盤の高速熱処理方法が開示されている。
【００１２】
本発明の更に別の側面において、高速熱処理の方法が開示されている。方法は、放射エネルギー源及びリフレクタを含む室を提供する過程と、放射エネルギー源のパワーレベルをピークレベルに上げて、第１の持続時間に第１の放射エネルギーに対し基板アクティブ層を露出させる過程と、前記第１のパワーレベルよりも低い前記放射エネルギー源の第２のパワーレベルを維持して、第２の持続時間に第２の放射エネルギーに対し基板全体を露出させる過程とを含む。
【００１３】
本発明のシステム及び方法は基板表面のアクティブ層のみを加熱するのに用いられ得り、浅い接合、非常に浅い接合、及びソースドレインアニールのようなインプラントアニールアプリケーションに対して有用である。ＲＴＰシステム及び方法はまた、熱ドナー消滅、再結晶化、及び不純物ドーピングに効果的に用いられ得る。さらには半導体ウエハ全体が加熱処理の間に過熱される必要がないので、所望でない限り、ＲＴＰシステムで用いられる電力量が５０ｋＷｈより低くされてよく、好適には約１０ｋＷｈより低くされる。同様に、ウエハのアクティブ表面のみが加熱されるので処理時間も短縮され得る。
【００１４】
本発明の別の特徴及び利点は、付随の図面と詳細な説明によって、より明確となる。
【００１５】
（詳細な説明）
ここでは、用語“フラッシュ”は、当業者であれば、通常理解可能である意味合いで用いられている。この定義でフラッシュとは、約１ナノ秒から約１０秒の持続時間で、突然に即ち概ね瞬時に（または瞬間爆発的に）光を放つことを意味する。
【００１６】
図１Ａ及び１Ｂは側面図及び平面図各々を概略的に示すものであり、本発明の代表的な周辺環境を確立させる半導体ウエハ処理システム１０の一つの実施例を示すものである。ここに示したシステムは、１９９９年１１月３０日の米国特許出願番号０９／４５１，６７７の同時継続出願において開示されており、ここに参照したことでその全てを本願の一部とする。処理システム１０はローディングステーション１２を有し、ローディングステーション１２はロードロック１８上及びその内部にウエハカセット１６を支持しまた移動させるための複数のプラットホーム１４を有する。ウエハカセット１６は、手動または無人搬送車（ＡＧＶ）のいずれかでプラットホーム１４へと導入される、取り外し可能なカセットであって良い。ウエハカセット１６は固定されたカセットであってもよく、ウエハは従来方式の大気ロボット（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｒｏｂｏｔ）またはローダー（図示せず）を用いてカセット１６上に導入される。ウエハカセット１６がひとたびロードロック１８内部に導入されると、ロードロック１８及び輸送室２０は大気圧に保たれ、またその他要素はポンプ５０を用いた吸気によって真空状態へと圧が下げられる。転送室２０内部におけるロボット２２はロードロック１８に向かって回転し、カセット１６よりウエハ２４をピックアップする。通常大気圧または真空状態であってもよい反応装置すなわち温度処理室２６はゲートバルブ３０を介してロボット２２よりウエハ２４を受容する。また追加的な反応装置がシステムに追加されても良く、例えばそれは反応装置２８である。ロボット２２は次に収容され、続いてゲートバルブ３０が停止し、ウエハ２４の処理が開始される。ウエハ２４が処理された後、ゲートバルブ３０が開放され、ロボット２２がウエハ２４をピックアップして冷却ステーション６０内部に配置できるようになる。冷却ステーション６０によって、１００℃以上の温度を有しうる処理されたばかりのウエハが、ロードロック１８内部のウエハカセットへと戻されるまえの冷却が行われる。
【００１７】
本発明によれば、反応装置２６及び２８はＲＴＰ反応装置であって、それらは熱アニール、ドーパント拡散、熱酸化、窒化物形成、化学蒸着、及びそれらに類似する過程において用いられるものである。反応装置２６及び２８は通常水平に配置されるが、好適な実施例において、それらが垂直に配置され（即ち一方の上方に他方が積み重ねられる）ことで、システム１０が占める床面積を最小化する。反応装置２６及び２８は輸送室２０上にボルトによって固定され、更にはサポートフレーム３２によって支持される。処理用のガス、クーラント、及び電気的接続は、インターフェース３４を用いることにより反応機の後面を介し、提供される。
【００１８】
図２Ａは本発明の原理に基づくＲＴＰ反応機システム４０の一実施例を示すものである。この実施例において、反応機システム４０は処理室１０２及びスキャナアセンブリ２００を有する。スキャナアセンブリ２００は処理室１０２に近接して配置されても良く、動作時はスキャナアセンブリが処理室内部に配置されたウエハを適切にスキャンする。
【００１９】
好適な実施例において処理室１０２は端部が閉止されたチューブ１０３を有し、空間１０４の内部を画定する。チューブ１０３はその内部に、典型的にはウエハ支持ポスト１０６を３本（そのうち２本が図示されている）を有し、シングルウエハ１０８を支持する。チューブ１０３の一端の開口（図示せず）が、処理の前後におけるウエハ１０８の導入及び排出のために、アクセスを提供する。穴は比較的小さな開口ではあるが、約０．５から０．８ｍｍの厚さで、直径が最大３００ｍｍ（〜１２ｉｎ．）のウエハ、及びロボット２２のアームならびにエフェクタを収容するのに十分な大きさを有する。好適には、装置は約１８ｍｍから２２ｍｍ、更に好適には２０ｍｍを超えない。穴のサイズが相対的に小さいことが、チューブ１０３より放射熱の失活を減少させるのに役立つ。
【００２０】
ウエハ１０８がロボット２２を用いて導入及び除去されることで、チューブ１０３はリフトピン、アクチュエータ、及びそれに類似するもののようなウエハ１０８を位置決めする内部動作部品を必要としない。そのようなわけで、チューブ１０３がウエハ１０８の周囲に最小限の内積を有する状態で構成され得る。好適な実施例において、通常、内部空洞１０４の体積が約１．０ｍ^３を超えることはなく、また更に好適には約０．３ｍ^３を超えることはない。従って小さなチューブ体積によって、反応装置システム４０が小型化されることが可能となり、結果としてシステム１０が小型化され得り、必要床面積を小さくする。好適にはチューブ１０３は透明な水晶またはそれに類似するような物質によって生成される。
【００２１】
図２Ａはまた、放射エネルギー源２０２に関して用いられ得るスキャナアセンブリ２００を示し、それは半導体ウエハ１０８の高速熱処理を提供するものである。スキャナアセンブリ２００は、アクチュエータ２０４を支持するハウジング２１６と、反射室２１２と放射アウトレットチャネル２１４とを有する。ハウジング２１６の外部寸法は、用途に応じて決定される。例えばハウジング２１６の長さはウエハ１０８の直径よりも少なくとも長くなり得る。
【００２２】
アクチュエータ２０４は、ウエハ１０８をスキャンするべくスキャナアセンブリ２００を動作可能とするための従来方式の手段を提供する。アクチュエータ２０４は、前後のスキャン動作を提供するべく形成され、その動作はチューブ１０３のスキャン長さに渡り、矢印２０６及び２０８によって図２Ａに示されている。アクチュエータ２０４は、これに限定するものではないが従来方式のドライバ及び動作伝達機構であるリニアモータ、ステッパーモータ、液圧式動力伝達装置、及びそれに類似するもの、及びギア、滑車、チェーン、及びそれに類似するものを含んでも良い。
【００２３】
図２Ａにおいて示されている実施例中では、スキャナアセンブリ２００は処理室１０２及びチューブ１０３の双方の外部にマウントされても良い。スキャナアセンブリ２００は光学ウィンドウ２１０上に配置され、それにより室１０２のスキャン長さにわたり提供され（即ち、少なくともウエハ１０８の直径よりは長い）、ハウジング２１６より放たれた放射エネルギーがチューブ１０３へ入るようにして、ウエハ１０８に衝当させることを可能とする。図２Ｂの別の実施例では、スキャナアセンブリ２００ａのスキャン動作が処理室１０２ａの内部で実行されても良いが、チューブ１０３ａの外部で実行され得る。スキャナアセンブリ２００ａは光学ウィンドウ２１０ａ上に配置され、光学ウィンドウ２１０ａはスキャン長さ（即ち少なくともウエハ１０８の直径よりも長い）に沿ってチューブ１０３ａ上に形成されており、ハウジング２１６ａより放出された放射エネルギーがチューブ１０３ａ内部に入ることを可能とし、ウエハ１０８に衝当させる。
【００２４】
図２Ｃに示される更に別の実施例では、スキャナアセンブリ２００ｂが処理室１０２ｂの外側に対してマウントされてもよく、さらに処理チューブが存在しない。この実施例において、スキャナアセンブリ２００ｂは光学ウィンドウ２１０ｂ上に配置され、光学ウィンドウ２１０ｂは処理室２１０ｂのスキャン長さ（即ちウエハ１０８の直径よりも少なくとも広い）にわたり提供されており、ハウジング２１６ｂより放出された放射エネルギーがウエハ１０８上に衝当することを可能とする。
【００２５】
光学ウィンドウ２１０（または２１０ａ）は放射エネルギーを透過することが可能などうのような物質からなってもよく、好適には水晶が用いられる。ウィンドウ２１０は約１ｍｍから５ｍｍの厚さを有し、またその直径はウエハ１０８よりも広い。
【００２６】
図２Ａにおいてギャップ２１３として示されているようなウエハとスキャナアセンブリとの表面間距離が約５０ｍｍよりも長くならないよう、スキャナアセンブリがチューブの内側もしくは外側のいずれに配置されるかが決定され、表面間距離は好適には約１０ｍｍから２５ｍｍが好ましい。ギャップ２１３が相対的に狭くなることで、ウエハ１０８にかかる温度／放射エネルギー分布の適切な制御を維持することができる。ギャップ２１３が広ければ、幾らかの放射エネルギーがウエハ１０８衝当前に失われうる。
【００２７】
図２Ａにおいて更に示されるように、ハウジング２１６内部には反射室２１２及び放射アウトレットチャネル２１４が設けられる。放射源２０２は反射チャンバー２１２内部に配置されており、典型的には概ね全ての広帯域放射が室の内部表面２１８上に衝当することを可能とする。ある実施例において、放射エネルギー源２０２は、ランプによる加熱操作における従来タイプの高輝度ランプであってよい。好適な実施例においては、放射エネルギー源２０２はフィラメントレスランプ、例えばキセノンアークランプである。典型的には本発明の好適なランプ２０２に要求される電力は５００ワットから約５０キロワットの間である。
【００２８】
ランプ２０２より放出されるエネルギーは、室２１２の内部表面２１８に衝当し、ある波長には高く反射的であり、別の波長に対しては吸収的、即ち非反射的である。１つの実施例において、表面２１８は反射／吸収特性を有する材料によってコーティングされる。例えば表面２１８は金もしくは銀を用いてコーティングされても良く、ここで銀は更に保護コーティングをされても良く、例えばそれはＳｉＮまたは他の透明コーティングであり、それにより銀の酸化を予防する。好適にはコーティングによって９００ｎｍよりも短い波長が反射され、約９００ｎｍから約２００ｎｍの間の平均波長を生成する。
【００２９】
室２１２は、所望の形状に作成されても良い。例えば図２Ａにおいて示されているように、室２１２が円形の室であっても良い。円形室２１２においては、光エネルギーは室２１２の中心部に焦点合わせされ、以下に示すように放射アウトレットチャネル２１４へと配向される。この実施例において、放射エネルギー源２０２は室２１２内の中心からずれていても良く、焦点合わせされた光エネルギーが熱エネルギー源２０２を超えないことを確実とする。図３は室２１２の別の実施例を示すものであり、楕円形の室が形成されても良い。楕円室２１２は２つの焦点合わせ位置を有する。エネルギー源２１２は第１の焦点合わせ位置２０３に位置決めされても良く、光エネルギーが第２の焦点合わせ位置２０５で焦点合わせされ、放射アウトレットチャネル２１４へと配向される。
【００３０】
ここで図２Ａに再び戻ると、狭い帯域のエネルギーが放射アウトレットチャネル２１４を介して室２１２より出ていく。放射アウトレットチャネル２１４は約５ｍｍから２０ｍｍの長さであり、好適には約１０ｍｍであり、所望の経路に沿って放射エネルギーを適切に配向する。放射アウトレットチャネル２１４は、放射エネルギーのビーム２２０がハウジング２１６から出ていくように、チャネルの一端に形成された開口またはスリット２２２を有する。スリット２２２はビーム２２０を所望の形状にするために設計されたものであり、ウエハ１０８に焦点合わせされ得るエネルギーの最適量を達成するものである。好適な実施例において、スリット２２２が方形の開口であって良く、スキャナアセンブリ２００の長さを延長して、長さがウエハ１０８の直径以上である。開口の大きさはエネルギーの量を最小化するのに十分に小さく、そのことがスリット開口における自然な分散を実現する。そのようなわけでスリット２２２は約１ｍｍから１０ｍｍの幅を有し、好適には２ｍｍである。ビーム２２２がウエハ１０８上でスキャンされると、ウエハ１０８の表面上に一様な温度分布が生成され、ウエハのアクティブ層２２４を加熱する。
【００３１】
ここで図２Ａから図２Ｄに戻ると、アクティブ層即ちデバイス層２２４はウエハ１０８の一部であり、深さαだけ２２３の表面より下側に延在している。深さαは典型的には約０．０５μｍから１ｍｍの間であるが、処理及び素子の特徴に応じて変化しても良い。アクティブ層２２４は例えばトランジスタ、ダイオード、レジスタ、及びキャパシタのような半導体素子が形成されるウエハの一部として半導体に関する一般的な知識を有する者の間で既知である。
【００３２】
アクティブ層２２４が加熱される温度が、ウエハ１０８でスキャナアセンブリ２００か移動するスピードとランプ２０２に供給されるパワーとの間に関数であることをご理解いただきたい。実施例においてアクティブ層２２４の温度は約５００℃から１２００℃の間である。この温度に到達するためには、５００ワットから５０キロワットの間で、スキャン速度は約１ｍｍ／秒から約１００ｍｍ／秒の間で変化し得る。スキャン速度が遅くなればなるほど、パワーも少なくてよい。ある実施例において、ウエハ１０８はさらなる加熱を施されても良く、例えば約３００℃まで予備加熱されても良く、アクティブ層２２４の処理が高温で開始されることで処理時間が短縮され、またエネルギーが節約される。
【００３３】
反応装置システム４０を用いてアクティブ層２２４を加熱することで、アクティブ層２２４の拡散速度及び溶解度が増加する。そのようなわけで、浅くドープされた領域がアクティブ層２２４に生成され得る。アクティブ層をドーピングすることは、例えばホウ素、リン、窒素、砒素、Ｂ_２Ｈ_６、ＰＨ_３、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ、Ａ_ＳＨ_３、及びＮＨ_３のようなドーピングコンパウンドの環境下で、約５００℃から１２００℃の間の処理温度にアクティブ層２２４をスキャンすることを含む。コンパウンド濃度は、例えばＨ_２、Ｎ_２、及びＯ_２のようなキャリアーガス、またはアルゴンもしくはヘリウムのような非反応ガスに対して約０．１％から約１００％の割合であって良い。コンパウンドの濃度が高ければ高いほどドーピング処理がスピードアップされ、及び／またはアクティブ層のドーパント濃度を増加させる。
【００３４】
図４は本発明の更に別の実施例を示すものである。この実施例において、スキャナアセンブリ３００は高強度パルスまたは連続波レーザー３０２を有し、半導体ウエハ３０４の高速熱処理を提供する。スキャナアセンブリ３００はまた、レーザーエネルギー焦点合わせアセンブリ３０６及びアクチュエータ３０８を有する。スキャナアセンブリ３００の構成要素は単一のハウジング内に封入されて良くよく、上記図２Ａの実施例と同様の方法で処理室３２０に対してマウント可能である。
【００３５】
レーザー焦点合わせアセンブリ３０６は第１の焦点合わせレンズ３１０、第２の焦点合わせレンズ３１２、及びミラー３１４を有する。焦点合わせアセンブリは、レーザー３０２よりウエハ３０４へ、レーザーエネルギー３０１を焦点合わせさせる既知の従来的な方法で動作する。レーザー３０２よりのエネルギー３０１は、１μｍより短い波長を有し得る。
【００３６】
アクチュエータ３０８は、ウエハ３０４をスキャンするべく動作可能なスキャナアセンブリ３００を作成するため、従来方法による手段を提供する。アクチュエータ３０８は矢印３１６によって図４に示されるようにウエハ３０４上で前後に動いてスキャン動作を行うために、レーザー３０２及び焦点合わせアセンブリ３０６移動させるために構成され得る。或いはミラー３１４のみがウエハ３０４のレーザースキャンを行うべく移動させられても良い。さらに別の実施例においては、ウエハ表面をスキャンするために、ウエハ３０４が固定されたビーム３０１に対して動くようにされても良い。アクチュエータ３０８はこれに限定するものではないが例えばリニアモータ、油圧駆動装置またそれに類似するもの、及びギア、滑車、チェーン、及びそれに類似するもののような従来方式の駆動装置または動作変換機構を含んでも良い。ある実施例においてスキャナアセンブリ３００は光学ウィンドウ３１８上に位置決めされ、処理室３２０のスキャン長さに沿って設けられるので、レーザーエネルギーを処理室３２０へ進入させウエハ３０４上に衝当させることが可能となる。ウィンドウ３１８はレーザーエネルギー３０１を伝達可能がどのような材料からなっても良いが、好適にはそれは透明な水晶である。ウィンドウ３１８は約１から５ｍｍの厚さを有してもよく、少なくともウエハ３０４よりも広い直径を有する。
【００３７】
図５Ａは本発明の原理に基づくＲＴＰ反応装置システム５００の実施例の簡略図である。この実施例において、反応システム５００は処理室５０２及びリフレクタアセンブリ５０４を有する。リフレクタアセンブリ５０４はリフレクタ５０６及び放射エネルギー源５０８を含んで良い。リフレクタアセンブリ５０４はウエハ５１０に近接して処理室５０２内部に配置されて良く、動作時にリフレクタアセンブリ５０４がウエハ５１０を適切に処理するべく作成され得る。一実施例において、放射エネルギー源５０８はランプ加熱操作において従来用いられてきたタイプの高輝度ランプであってよい。この実施例において、放射エネルギー源５０８はキセノンアークランプ（以下“ランプ５０８”と表記）のようなフィラメントレスランプである。ランプ５０８はウエハ５１０の直径に少なくとも等しい長さを有するチューブ形状のランプなどのような好適な形状のランプであっても良い。一実施例において、ランプ５０８はフローチューブ５１２によって取り囲まれてもよい。フローチューブ５１２は脱イオン水のような冷却流体５２２を含み得る。冷却流体５２２はランプ５０８が操作中にオーバーヒートしないように用いられる。例えば冷却流体はランプ５０８の温度を１００℃より低く維持し、ランプ５０８のあらゆる水晶構成要素が溶けないようにする。別の実施例においては、冷却用流体５２２が非導電性のダイ（ｄｉｅ）と混合されても良い。非導電性のダイは、フローチューブ５１２を介してランプ５０８よりのある波長のみを発散させないようにするためのフィルターとして作用し得る。
【００３８】
図５Ｂは別の実施例の簡略図であり、複数のランプ５０８がリフレクタ５０６に近接して配置されている。特定の処理に要求される所望の過熱レベルを達成するため、これらランプ５０８の数は任意である。
【００３９】
図５Ａを再び参照するとリフレクタアセンブリ５０４はウエハ５１０とともに操作可能な配置をとる。リフレクタ５０６は内部表面５１４を有し、ある波長に高い反射性を有し、また別のものに対しては反射性を有さず吸収的であり得る。一実施例において、内部表面５１４は金もしくは銀によってコーティングされても良く、ここで銀は更にＳｉＮまたは透明なコーティングによって保護コーティングされて良く、そのことで銀の酸化を妨げる。コーティングは９００ｎｍより短い波長を効果的に反射し、約９００ｎｍから２００ｎｍの間で平均波長を生成する。別の実施例においては、内部表面は紫外線（ＵＶ）、赤外線（ＩＲ）、及び可視光線の全てのスペクトルにわたって高い反射性を有する。
【００４０】
リフレクタ５０６はどのような好適な形状で形成されても良い。例えばリフレクタ５０６は、平面、円形、楕円形、または放射型の形状であっても良い。ランプ５０８よりの光エネルギーはリフレクタ５０６の中心又は焦点で焦点合わせされ、ウエハ５１０へと配向される。ランプ５０８より発光され、リフレクタ５０６の内部表面５１４より反射された放射はウエハ５１０に衝当し、光線５１６、５１８、及び５２０で簡潔かつ代表的に図示されているが、それによってウエハのアクティブ層２２４が加熱される（図２Ｄで参照された通りである）。
【００４１】
アクティブ層２２４が加熱される温度はランプ５０８に供給されるパワーとウエハ５１０上に衝当可能な放射エネルギーの時間の長さとの関数である。ある実施例において、アクティブ層２２４の温度は約５００℃から約１４００℃の間まで上昇し得る。それら温度に到達するには、ウエハ５１０がランプ５０８のフラッシュに対し晒されており、ランプ５０８が急激すなわち概ね瞬時に光エネルギーを放ち、例えばその持続時間が約１ナノ秒から１０ナノ秒の間であって、パワーレベルは、０．５Ｊ／ｃｍ^２から約１００Ｊ／ｃｍ^２の間である。
【００４２】
別の実施例では、ウエハ５１０がランプ５０８のフラッシュにさらされた後、ランプのパワーは第２のパワーレベルに維持され得り、例えばそれは約１００ワットから約５００キロワットの間である。ウエハ５１０は、ウエハ５１０の処理が完了するのに必要であるどのような長さの持続時間にわたって、第２のパワーレベルで露出され得る。ある実施例では、連続露出時間は約０．０５秒から３６００秒の間である。フラッシュアニールの間アクティブ層を過熱するのに加えて、連続する露出によってウエハ５１０の全体が加熱され得る。
【００４３】
ウエハ５１０は例えば３００℃で予備加熱されても良く、アクティブ層２２４の処理がより高い温度で開始され、そのことで処理時間を短縮しエネルギーが節約される。
【００４４】
図６はリフレクタアセンブリ５０４の別の実施例を簡略に示したものである。この別の実施例において、リフレクタ５０６は楕円形に形成され、Ｆ_１及びＦ_２の２つの焦点を有する。ランプ５０８は焦点Ｆ_１に位置決めされ得り、エネルギーは内部表面５１４より反射し、光線５２４及び５２５によって示され、第２の焦点Ｆ_２で焦点合わせされる。ウエハ５１０は焦点Ｆ_２で配置され得り、エネルギーがウエハ５１０を処理するのに用いられ得る。
【００４５】
この実施例において、ウエハ表面全体が、Ｆ_２で焦点合わせされるエネルギーに対して露出するが、そのことは焦点Ｆ_２に対して相対的にウエハ５１０を移動させることで可能となる。例えば、アクチュエータ５２６がリフレクタアセンブリ５０４にウエハ５１０をスキャンさせるための従来方式の手段を提供するべく用いられても良い。アクチュエータ５２６は、ウエハ５１０及びリフレクタアセンブリ５０４のいずれかが前後に動作するスキャン動作を提供するために作動するべく構成されても良く、その動きはウエハ５１０において矢印５２８で示されるものである。
【００４６】
図７は本発明によるリフレクタアセンブリ５０４の別の実施例を示すものである。この実施例においてりリフレクタ５０６は楕円形状で形成され、２つの焦点Ｆ_１及びＦ_２を有する。ランプ５０８は焦点Ｆ_１において位置決めされており、エネルギーが内部表面５１４より反射され焦点Ｆ_２において焦点合わせされる。この実施例において、ウエハ５１０はリフレクタアセンブリ５０４よりの距離ｄ_１及び／または焦点Ｆ２よりの距離ｄ_２でセットされる。距離ｄ_１及びｄ_２はウエハ５１０が焦点Ｆ_２より放出されるビーム５３３の内部に完全に含まれるように選択される。光線５３０及び５３２によって画定されたビーム５３３はウエハ５１０の全体表面をカバーし、ウエハ５１０の全体表面がランプ５０８よりの反射エネルギーの概ね全てが同時にさらされ、ウエハ５１０を処理する。
【００４７】
図８は本発明によるリフレクタアセンブリ５０４の更に別の実施例を示す簡略図である。この実施例において処理室５０２は、リフレクタアセンブリ５０４を含み、それは第２の処理室５３６の外部にマウントされ得る。リフレクタアセンブリ５０４は室５０２及び５３６の間に提供される光学ウィンドウ５３８上に配置され得り、ランプ５０８より発光された放射エネルギーが第２の処理室５３６へと進入しウエハ５１０上に衝当する。光学ウィンドウ５３８は放射エネルギーの透過を可能とする好適には水晶のようなどのような材料で製造されても良い。ウィンドウ５３８は約１から約５ｍｍの厚さを有しその直径はウエハ５１０よりも少なくとも大きいものであり得る。
【００４８】
第２の処理室５３６は、ポンプ５４０を用いるなどして真空にするべく引き込まれる。第２室５３６は、入り口５４２介して非酸素ガス例えばＮ_２のようなものによって満たされても良い。真空もしくは非酸素ガス環境によって、ウエハ５１０の処理の間に、ランプ５０８よりの紫外線（ＵＶ）波長がウエハ５１０に到達しうることを確実とする。
【００４９】
水晶ウィンドウ５３８を有する第２の処理室５３６が図７のリフレクタアセンブリ５０４の実施例を用いて図示されているが、第２の処理室５３６及び水晶ウィンドウ５３８はここに記載された全ての実施例のリフレクタアセンブリ５０４と共に用いられても良い。処理室５０２及び５３６が単一の処理室であっても良いことはお分かりであろう。
【００５０】
図９Ａ乃至９Ｄは本発明の実施例に基づく、ランプ６０２用の電源６００を示す回路図である。図９Ａを参照すると、電源６００はメイン回路６０４及び点灯回路６０６を有する。ある実施例においては、メイン回路６０４が点灯トランス６０８を有し、その第１の巻線６１０は電圧Ｖ_１で供給され、その第２の巻線６１２は電圧Ｖ_１のステップアップ値によってランプ６０２をつける。この実施例において、キャパシタ６１４は、直列な第１の巻線６１０及びコントロール可能なスイッチ６１８に対して平行に提供されている。キャパシタ６１４は所望のどのような静電容量であって良く、例えばそれは約１０μＦから１００Ｆの間である。スイッチ６１８は、例えばあらゆる好適なマニュアルスイッチであっても良く、電磁リレーまたはソリッドステート装置であっても良い。
【００５１】
この実施例において、キャパシタ６１４はレジスタ６１６とレジスタ６１６と直列なダイオード６２０に対して、平行に接続されても良い。キャパシタ６１４が充電されるとき、レジスタ６１６は電流リミッター及び／または擬似負荷として機能する。キャパシタ６１４は、供給電圧Ｖ_１がノードＮ_１及びＮ_２を通って活動化されるときに充電する。電圧Ｖ_１は、ダイレクトラインもしくは変圧アウトプットを介して供給されるＡＣ電圧であり得る。電圧Ｖ_１は調整可能であって、また約２００ＶＡＣから１０００ＶＡＣの間の幅を有しても良い。
【００５２】
点灯回路６０６はパルススイッチ６２２を用いて点灯エネルギーを供給する。この目的で、点灯回路６０６は点灯トランス６０８の第２の巻線６１２に接続されて提供される。レジスタ６２４はダイオード６２６と直列関係にあり、第２の巻線６１２及びパルススイッチ６２２と直列に提供される。キャパシタ６２８はシャントレジスタ６３０に平行に接続され、第２の巻線６１２とは直列に接続されている。キャパシタ６２８は約０・５μＦから１００μＦの間の所望の静電容量であって良い。キャパシタ６２８はノードＮ_３及びＮ_４にかかる電圧Ｖ_２で充電され得る。電圧Ｖ_２はダイレクトラインもしくは変圧アウトプットを介して供給されるＡＣ電圧であり得る。電圧Ｖ_２は調整可能であり、また約５００ＶＡＣから１０００ＶＡＣの幅を有しても良い。代替例としては、単純にノードＮ_１及びＮ_２が電気的にノードＮ_３及びＮ_４と接続されて同一の電源を共有することもできる。
【００５３】
供給電圧Ｖ_１がノードＮ_１およびＮ_２の間で適用されること可能とするべく、スイッチ６１８及び６１９が閉止されるような第１の回路６０４、及び点灯回路６０６の実施例が図９Ｂに示されており、キャパシタ６１４のレジスタ６１６を介して充電が行われる。同時に、ノードＮ_３及びＮ_４の間で適用される電圧Ｖ_２を有するレジスタ６２４介して点灯回路６０６のキャパシタ６２８が充電される。
【００５４】
図９Ｃはキャパシタ６１４が所望の制限容量に充電された場合、スイッチ６１８及び６１９が開放され、キャパシタ６１４上の供給電圧Ｖ_１効果を無くし、電圧Ｖｃが第１の巻線６１０を通ってキャパシタ６１４より供給され得るような実施例を示している。インパルススイッチ６２２はキャパシタ６２８が放電するために閉止されても良く、電圧Ｖ_１が第２の巻線６１２に供給される。点灯トランス６０８の伝送速度に従って、電流束が第１の巻線６１０内にステップアップ電圧を生成しそれはランプ６０２を点灯するのに十分高い。
【００５５】
図９Ｄを参照すると、ひとたびランプ６０２が所望とするように点灯されたときスイッチ６２２が開放され、またスイッチ６１９がキャパシタ６１４がレジスタ６１６を介して供給される疑似負荷を介して放出され続けるべく閉止されても良い。このような構成では、点灯回路６０６のキャパシタ６２８はひとたびスイッチ６２２が開放されると再充電され始める。第１の回路６０４は、スイッチ６１８が閉止されることで再充電されても良い。
【００５６】
図１０は図９Ａ乃至９Ｄに記載された原理を用いて構成された電源回路７００を示す実施例である。この実施例は電源回路７００の汎用性を示すものである。図１０を参照すると最も分かりやすいように、複数の第１回路７０６よりのキャパシタ７０８が互いに積層され、電源７００のチャージ容量を増加させるべく互いに関連づけられて用いられている。積層されたキャパシタ７０８は第１のラック７０９を形成する。各々の第１回路７０６は、スイッチもしくはリレー７０７の閉止によって互いに接続され得る。電圧のキャパシタが増加するにつれて、複数のキャパシタラック例えば第２のラック７１１及び第３のラック７１３がスイッチ７１４のセットを介して第１のラック７０９と平行に接続されても良い。ラック７０９、７１１、及び７１３はキャパシタンスを変化させるべく共に使用されても良く、ランプ６０２に対して供給されるパワーレベルを変化させる。
【００５７】
図１０は電源７００の追加的な汎用性も示している。例えばＡＣ電源７０２が、約２００ＶＡＣから約１０００ＶＡＣの間に広がる可変電圧を提供するべく構成されても良い。加えて第１の回路のレジスタ７０４がハロゲンランプもしくはそれに類似する装置であっても良く、このことが回路におけるキャパシタが充電されまたは放電されることを視覚的に示す手段を提供すると共に、熱エネルギーを拡散させるべく用いられても良い。
【００５８】
図１１はランプ６０２の連続的な通電を可能とする追加的能力を有する図９Ａ乃至９Ｄに記載された原理に基づく電源回路８００の実施例である。従って、電源回路８００はランプ６０２の放射エネルギーに対するフラッシュ露出を提供しても良く、それはランプ６０２の放射エネルギーに露出される連続構成要素によって追従される。電源回路８００は電源回路８０２を有し、ここでスイッチ８０４及び８０６は閉止された場合に、閉止供給電圧Ｖ_１がノードＮ_１及びＮ_２の間に提供され、キャパシタ８１０のレジスタ８０８を介した充電を開始する。同時に、点灯回路８１４のキャパシタ８１２がレジスタ８１６を介して充電される。ダイオード８１８のセットは、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するべく提供されている。キャパシタ８１０及び８１２が所望の容量にチャージされる場合、スイッチ８２０が閉止され第１の巻線８２２を通ってキャパシタ８１０より電圧Ｖ_２が供給されるようにする。インパルススイッチ８２４が閉止されても良く、キャパシタ８１２が放電可能となり、電圧Ｖ_３が第２の巻線８２６に供給される。点灯トランス８２６の伝送速度に従って、電流がランプ６０２を点灯させるのに十分高いステップアップ電圧を第１の巻線８２２に生成する。ひとたび点灯スイッチ８２４が開放されると、電圧Ｖ_２は第１の巻線に残り、ランプ６０２をエネルギー化されたままにし、そのようなわけで放射エネルギーアウトプットを生成する。このような方法で、放電時間が制御される。
【００５９】
本発明は加熱目的でハロゲンランプを用いるＲＴＰシステムの多くの欠点を克服するものである。例えば、フィラメントタイプのハロゲンランプは帯域幅の広いエネルギーを生成するが、その多くはウエハのアクティブ層を加熱することには用いられ得ない。フィラメントタイプのランプにおける利用可能な波長を増加させるために、ランプに対するパワーを増加させる。運の悪いことに、電力におけるこのような増加はピーク強度をシフトさせてしまう。本発明に用いられているアークランプは、パワーの増加に伴ってピーク強度をシフトさせることなく、かつ波長の利用可能帯域におけるピーク強度で動作するようにしたものである。結果として追加された電力がアクティブ層でより効果的に消費される。
【００６０】
本発明について特殊な実施例について記述してきたが、これらは例示的なものであって、本発明をこれに限定するものではない。更に、特許請求の範囲及び発明の詳細に属する変形及び変更は、全て本発明の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
本発明の代表的環境を確立する半導体ウエハ処理システムの一実施例の平面図である。
【図１Ｂ】
本発明の代表的環境を確立する半導体ウエハ処理システムの一実施例の側面図である。
【図２Ａ】
本発明の原理に基づくＲＴＰ反応装置システムを示す簡略図である。
【図２Ｂ】
本発明の別の実施例に基づくＲＴＰ反応装置システムを示す簡略図である。
【図２Ｃ】
本発明の別の実施例に基づくＲＴＰ反応装置システムを示す簡略図である。
【図２Ｄ】
本発明の原理に基づく半導体ウエハのアクティブ層を示す簡略図である。
【図３】
本発明による放射室の実施例を示す簡略図である。
【図４】
本発明の別の実施例を示す簡略図である。
【図５Ａ】
本発明によるフラッシュアニールシステムの実施例を示す簡略図である。
【図５Ｂ】
本発明によるフラッシュアニールシステムの実施例を示す簡略図である。
【図６】
本発明による図５のフラッシュアニールシステムと共に用いられる、リフレクタアセンブリを示す簡略図である。
【図７】
本発明による図６のリフレクタアセンブリの別の実施例を示す簡略図である。
【図８】
本発明による図６のリフレクタアセンブリの別の実施例を示す簡略図である。
【図９Ａ】
本発明の実施例によるランプ点灯電源の回路図である。
【図９Ｂ】
本発明の実施例によるランプ点灯電源の回路図である。
【図９Ｃ】
本発明の実施例によるランプ点灯電源の回路図である。
【図９Ｄ】
本発明の実施例によるランプ点灯電源の回路図である。
【図１０】
本発明の原理に基づく電源回路の実施例である。
【図１１】
本発明の原理に基づく電源回路の実施例である。

Claims (36)

1. 基板の高速熱処理のためのシステムであって、
   放射エネルギー源と、
   放射エネルギーを基板表面に衝当させる前記放射エネルギー源を概ね取り囲むリフレクタとを含み、前記放射エネルギー源が前記基板のアクティブ層を瞬時に加熱するべくフラッシュされるように構成されることを特徴とするシステム。
2. 前記放射エネルギー源が、高輝度ランプを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記高輝度ランプが、冷却流体を含むフローチューブを有することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記高輝度ランプが、キセノンアークランプを有することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
5. 前記放射エネルギーが、約０．５Ｊ／ｃｍ^２から約１００Ｊ／ｃｍ^２の平均パワーを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記アクティブ層が、前記基板表面下の１０ｎｍから約１ｍｍの部分を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記アクティブ層の温度が、約５００℃から１４００℃であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 概ね瞬間的な反応時間が、約１ナノ秒から約１０秒の間であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 前記リフレクタが、金及び銀を含む一群より選択された材料によってコーティングを施された内部表面を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
10. 前記リフレクタが、約９００ｎｍよりも短い波長を反射することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
11. 前記リフレクタが、平面、球形、放物線形、及び楕円形を含む一群より選択された形状を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
12. 前記放射エネルギー源が、複数の高輝度ランプを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
13. 前記リフレクタが、第１の焦点で前記放射エネルギーを焦点合わせし、前記第１焦点は前記基板の前記表面上に存在することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
14. 前記リフレクタが、第１の焦点で前記放射エネルギーを焦点合わせし、前記第１の焦点が放射エネルギービームを放って前記基板の前記表面に衝当させることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
15. 前記基板が、非酸素環境で封入されることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
16. 基板の高速熱処理のためのシステムであって、
    室と、
    前記室内部に配置された少なくとも１つの放射エネルギー源と、
    前記少なくとも１つの放射エネルギー源を概ね取り囲むリフレクタアセンブリとを有し、前記リフレクタアセンブリが、約１ナノ秒から約１０秒の概ね瞬間的な時間に基板の表面上に衝当するように、第１の焦点で前記放射エネルギー源よりの放射エネルギーを焦点合わせするための反射表面を有し、前記概ね瞬間的な時間に約５００℃から約１４００℃の間で前記基板の前記アクティブ層の温度を上昇させることを特徴とするシステム。
17. 前記第１の焦点が、前記基板の前記表面上に配置されることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
18. 前記第１の焦点より発光されたエネルギー束が、前記基板の前記表面に衝当することを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
19. 前記放射エネルギー源が、キセノンアークランプを有することを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
20. 前記アクティブ層が、前記基板表面下の約１０ｎｍから約１ｍｍの部分を有することを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
21. 基板の高速熱処理方法であって、
    放射エネルギー源及びリフレクタを含む室を提供する過程と、
    前記基板のアクティブ層を加熱するため、概ね瞬時に基板表面に衝当するように前記放射エネルギー源をフラッシングする過程とを含む方法。
22. 前記放射エネルギー源が、高輝度ランプを有することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記高輝度ランプが、冷却流体を含むフローチューブを有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記高輝度ランプが、キセノンアークランプを有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
25. 前記放射エネルギーが、約０．５Ｊ／ｃｍ^２から約１００Ｊ／ｃｍ^２の間の平均的なパワーを有することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
26. 前記アクティブ層が、前記基板表面下の約１ｎｍから約１ｍｍの部分を有することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
27. 前記アクティブ層の温度が、約５００℃から１４００℃の間であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
28. 前記概ね瞬間的な時間が、約１ナノ秒から約１０秒の間であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
29. 前記リフレクタが、金及び銀を含む一群より選択される材料でコーティングを施された内部表面を有することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
30. 前記リフレクタが、約９００ｎｍより短い波長を反射することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
31. 前記リフレクタが、平面、球形、放物線形、及び楕円形を含む一群より選択された形状を有することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
32. 前記焦点合わせ過程が、前記焦点合わせされた放射エネルギーのビームが前記第１の焦点より前記基板表面へと発光される過程を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
33. 基板の高速熱処理の方法であって、
    放射エネルギー源とリフレクタとを有する室を提供する過程と、
    第１の概ね瞬間的な持続時間に、第１の放射エネルギーに対して基板のアクティブ層を露出するべく、ピークとなるパワーレベルまで前記放射エネルギー源のレベルを上げる過程と、
    その後、前記第１のパワーレベルより低い値に前記放射エネルギー源の第２のパワーレベルを維持し、第２の持続時間に、第２の放射エネルギーに対して、前記基板全体を露出させる過程とを有し、
    前記第１の持続時間が約１ナノ秒から約１０秒の間であり、前記第２の持続時間が約０秒から約３６００秒の間であることを特徴とする方法。
34. 前記放射エネルギー源が、高輝度ランプを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
35. 前記放射エネルギーが、約０．５Ｊ／ｃｍ^２から約１００Ｊ／ｃｍ^２の間の平均的なパワーを有することを特徴とする請求項３３に記載の方法。
36. 前記アクティブ層が、前記基板表面下の約１ｎｍから約１ｍｍの部分を有することを特徴とする請求項３３に記載の方法。

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