JP2005011941A

JP2005011941A - 半導体製造装置及び熱処理方法

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Publication number: JP2005011941A
Application number: JP2003173434A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Shimizu; 正裕清水; Yoshihide Tada; 吉秀多田; Motoshi Nakamura; 源志中村
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】本発明は加熱すべき対象材料を選択的に加熱することにより熱処理装置の省エネルギ化及び低温加熱を達成し、且つ、対象材料の凝固速度を制御することにより意図的に改質することのできる熱処理装置及び熱処理方法を提供すること課題とする。
【解決手段】輻射加熱により熱処理を行なう半導体製造装置において、処理チャンバ１の外壁の一部として透過窓４が設けられる。レーザ源５から出力されたレーザ光７は、光学系６により線状のレーザ光７ａとなって、透過窓４を介して薄膜に照射される。レーザ源５の出力はパワーコントローラ８により制御される。レーザ光の波長は、薄膜の光吸収係数が大きい波長である。透過窓４は当該波長の光を吸収しない材料により形成される。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体製造技術に係わり、より詳細には、基板上に形成された薄膜を熱処理により改質するための半導体製造装置及び熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製品の製造工程において、シリコンウェーハ等の基板上には様々な薄膜が形成される。このような薄膜に対して、熱処理を施して所望の特性を得るためのいわゆる材料改質が行なわれる場合がある。特に、近年の半導体製品の高密度化、高機能化に伴い、様々な薄膜の材料改質が重要になりつつある。
【０００３】
材料改質のための熱処理の一例として、従来よりレーザアニールが提案されている。レーザアニールは、熱処理すべき基板や薄膜に対してレーザ光を照射し加熱し、所望の特性となるように冷却する技術である。しかし、レーザアニール技術はレーザドーピングを除いてこれまで実用化に至っておらず、アイデア段階で終止していた。
【０００４】
上述のレーザアニールにおいて、改質すべき対象物質（薄膜等を構成する材料）を溶融して再び凝固させるという発想はあるが、溶融した材料を凝固させる際の凝固速度を制御するような技術は提案されていない。従来のレーザアニールでは、溶融した材料は、レーザアニール装置（熱処理装置）のハードウェアにおける伝熱環境により決まる凝固速度で凝固する。このため、凝固した後の対象材料は、凝固速度により決まるアモルファス状態又は多結晶状態にしかならない。このように、従来のレーザアニールでは、対象物質を加熱した後の冷却は自然冷却に任せており、意図的に対象物質の状態を制御する（材料改質）までには至っていない。
【０００５】
また、レーザ光照射による輻射加熱のような加熱方法では、加熱用の光（例えばレーザ光）と加熱すべき対象物質の光吸収特性のよい部分の波長を、加熱用の光として用いれば、効率よく輻射加熱を行なうことができる。しかし、従来のレーザアニールでは、加熱すべき材料の光吸収特性と輻射加熱の際の光の波長との関連性を考慮して輻射加熱設計に言及している例は見当たらない。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２７５３３６号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平７−２０２２０８号公報
【０００８】
【特許文献３】
特開平９−８２６６２号公報
【０００９】
【特許文献４】
特開２００１−１０２５９３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来、熱処理装置のような半導体デバイス製造装置を用いてウェーハ上の薄膜の材料改質を行なう際、ウェーハ全体及び熱処理装置の装置チャンバ内全体を加熱しなければならず、下記のような問題があった。
【００１１】
１）従来の熱処理装置では、ウェーハ全体や装置全体を加熱するため、熱処理における使用エネルギ効率が低く、省エネルギ対策が必要である。
【００１２】
すなわち、対象材料（加熱すべき部分）のみを選択的に加熱するわけではないため、対象材料への供給エネルギは少量であるのにも拘わらず、全体消費エネルギ量は高いままである。
【００１３】
２）デバイス構成材料が年々変化してきており、耐熱温度の低い材料が用いられるようになってきている。したがって、処理温度の低温化が必要となる。
【００１４】
すなわち、対象材料（加熱すべき部分）のみを選択的に加熱するわけではないため、ウェーハ加熱温度は一番高い処理温度により支配され、この結果、熱処理温度の低温化を達成できない。
【００１５】
３）対象材料を加熱溶融した後、所望の冷却速度で冷却することができないため、凝固速度を制御することができない。したがって、凝固後の対象材料を所望の状態にすることができない。
【００１６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、加熱すべき対象材料を選択的に加熱することにより熱処理装置の省エネルギ化及び低温加熱を達成し、且つ、対象材料の凝固速度を制御することにより意図的に改質することのできる熱処理装置及び熱処理方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明によれば、加熱対象物質に対して光を照射して輻射加熱により熱処理を行なう半導体製造装置であって、加熱対象物質を含む被処理体が配置される処理チャンバと、該処理チャンバの外壁の一部として設けられた透過窓と、該透過窓を介して前記加熱対象物質に光を照射する光源と、該光源の出力を制御する制御器とを有し、前記光源から照射される光の波長は、前記加熱対象物質の光吸収係数が大きい波長であり、前記透過窓は、該波長の光を吸収しない材料により形成されることを特徴とする半導体製造装置が提供される。
【００１８】
上述の半導体製造装置において、前記光源はレーザ光を出力するレーザ源であり、該レーザ光が前記加熱対象物質に対して線状に照射されるように該レーザ光を導く光学系を更に有することが好ましい。また、前記レーザ源は赤外レーザであり、前記加熱対象物質は半導体製造工程の初期工程において形成されるシリコン酸化膜であることがより好ましい。さらに、前記赤外レーザは炭酸ガスレーザであり、前記透過窓はゲルマニウムにより形成されることが好ましい。あるいは、前記光源は赤外光を出力する赤外ランプであり、前記加熱対象物質は半導体製造工程の初期工程において形成されるシリコン酸化膜であることとしてもよい。この場合、前記透過窓はＡｌ_２Ｏ_３により形成されることとしてもよい。
【００１９】
また、本発明によれば、半導体製造に用いられる熱処理方法であって、加熱対象物質の光吸収波長に対応した波長を有する光を該加熱対象物質に照射して、該加熱対象物質を周囲の部分に対して選択的に加熱し、該照射する光の強度を制御して、加熱された前記対象物質を周囲への伝熱作用により冷却することを特徴する熱処理方法が提供される。
【００２０】
上述の発明においいて、前記加熱対象物質はシリコン酸化膜であり、前記光は炭酸ガスレーザ光であることが好ましい。また、前記加熱対象物質はシリコン酸化膜であり、前記光は赤外ランプから出力される赤外光であることとしてもよい。
【００２１】
上述の熱処理方法において、前記加熱対象物質を選択的に加熱することにより溶融し、その後の冷却過程において、結晶化及び結晶の成長が抑制されるように急速冷却することとしてもよい。あるいは、前記加熱対象物質を選択的に加熱することにより溶融し、その後の冷却過程において前記加熱対象物質が凝固する際に内部の元素が偏析するように冷却速度を制御することとしてもよい。
【００２２】
上述の発明によれば、加熱すべき対象物質を選択的に加熱し且つ冷却することにより、加熱対象物質の材料改質を行なうことができる。また、選択加熱であるため、加熱に費やされるエネルギを低減することができ、半導体製造装置の省エネルギ化及び低温加熱を達成を達成することができる。また、加熱対象物質のみを選択的に加熱・溶融し、且つ凝固速度を制御することにより加熱対象物質の材料改質を行なうことができる。
【発明の実施の形態】
まず、本発明による選択輻射加熱の原理について説明する。
【００２３】
選択輻射加熱により材料改質を行う際には、材料改質すべき材料の輻射エネルギ吸収特性に応じて、ウェーハ処理工程中の多層構造における選択輻射加熱設計を行う。すなわち、対象材料に選択輻射加熱を施すことができる条件を満足するか否かを検討する。
【００２４】
選択輻射加熱を施すことができる条件として、まず、（１）改質すべき対象材料の吸収長（吸収係数の逆数：１／α）が、対象材料の膜厚より大きいかほぼ等しいことが必要である（吸収長≧対象材料層の膜厚）。また、（２）改質すべき対象材料の吸収長が、対象材料層の膜厚より小さい場合であっても、対象材料層の下地が反射率の高い材料構造（例えば反射率９５％以上）であればよい。
【００２５】
上記条件（１）、（２）を目安にして選択輻射加熱設計を行って対象材料層の溶融時間を計算し、対象材料層を含む基板（ウェーハ）を輻射加熱した際に、対象材料層が最初に溶融することを確認する。輻射加熱源として例えばレーザ光を照射する際に、上記溶融時間だけ照射することにより、対象材料層のみを断熱的に選択輻射加熱し、溶融することができる。
【００２６】
ここで、輻射加熱用の光の照射時間と、対象材料層を含む基板の温度上昇との関係について考察する。
【００２７】
半無限固体にヒートフラックス（熱流束）ｑ_０を与えた場合の固体表面からの深さδ、時間ｔにおける温度Ｔ（δ，ｔ）は以下の式で表わすことができる。
【００２８】
【数１】

ここで、上式における誤差関数ｅｒｆは２次関数で近似でき、Ｔｉは室温であり無視することができる。これにより上記式は以下のようになる。
【００２９】
【数２】

対象となる材料構造、各物性値、及びヒートフラックスの値を上式に与えて計算すると、個体表面から各位置での温度Ｔ（δ，ｔ）を計算することができる。
【００３０】
上記温度計算の一例として、シリコン基板（Ｓｉ）上にスクリーン酸化膜（以下ＳＣ−Ｏｘ膜と略す）が形成された層構造に炭酸ガスレーザを照射して加熱した際の層構造中の温度上昇を計算により求めた。図１はその結果を示すグラフである。シリコン基板の厚みは７５０μｍとし、ＳＣ−Ｏｘ膜の厚みは１０ｎｍとした。また、炭酸ガスレーザの照射により生じるヒートフラックスｑ_０は５×１０^４Ｗ／ｃｍ^２とし、照射時間は０．１秒として計算した。なお、図１のグラフ中、ｑｔはＳＣ−Ｏｘ膜表面から内部に向かう熱流束を示し、レーザ照射を停止した０．１秒の時点から急激に低下していることがわかる。
【００３１】
図１のグラフ中、Ｔ（０，ｔ）はＳＣ−Ｏｘ膜の表面の温度であり、Ｔ（４，ｔ）、Ｔ（８，ｔ）、Ｔ（１２，ｔ）、Ｔ（１００，ｔ）は、夫々表面から４ｎｍ、８ｎｍ、１０ｎｍ、１００ｎｍの位置での温度を表す。したがって、Ｔ（０，ｔ）、Ｔ（４，ｔ）、Ｔ（８，ｔ）はＳＣ−Ｏｘ膜の温度を示す。また、Ｔ（１２，ｔ）境界部分付近から僅かに離れた位置でのシリコン基板の温度を示し、Ｔ（１００，ｔ）は境界部分から離れた位置でのシリコン基板の温度を示す。
【００３２】
図１のグラフより、レーザの照射時間が１×１０^−２秒を過ぎるとＳＣ−Ｏｘ層の温度（Ｔ（０，ｔ）、Ｔ（４，ｔ）、Ｔ（８，ｔ））は急激に上昇してその融点（１６９０℃）を超え、その後１×１０^−１秒の手前で急激に低下することがわかる。一方、シリコン基板の温度（Ｔ（１２，Ｔ）、Ｔ（１００，ｔ））は、シリコンの融点（１４１４℃）よりはるかに低い温度までしか到達しない。したがって、図１に示す例では、下地のシリコン基板をある程度低温（融点以下）に保ったまま、表面のＳＣ−Ｏｘ層のみを選択的に加熱し溶融することができることがわかる。
【００３３】
ここで、対象材料の溶融時間は、輻射の性質と、材料の吸収係数αと膜厚ｄとを考慮して、半無限物体の非定常熱伝導に基づいて計算することができる。
【００３４】
輻射の性質において、透過率をＴ（無次元数）、反射率をＲ（無次元数）、吸収率をＡｂｓ（無次元数）とすると、Ｔ＝［（１−Ｒ）^２＊ｅｘｐ（−αｄ）］／［１−Ｒ^２＊ｅｘｐ（−２αｄ）］であり、且つＲ＝［（ｎ−１）^２＋ｋ^２］／［（ｎ＋１）^２＋ｋ^２］である。ここで、ｋは材料の消衰係数である。そして、Ｔ，Ｒ，Ａｂｓの間には、Ａｂｓ＝１−Ｔ−Ｒという関係が成り立つ。
【００３５】
半無限物体の非定常熱伝導に基づいて、対象材料の表面温度Ｔ（０，ｔ）を求めると、単位面積当たりの熱流束をＦ・Ａｂｓとして、以下のようになる。
【００３６】
【数３】

これより表面温度Ｔ（０，ｔ）が融点に達する時間ｔｍを求めると以下のようになる。ここで、Ｔｄは材料の熱拡散定数［ｃｍ^２／ｓｅｃ］である。
【００３７】
【数４】

また、対象材料の表面融解から底面融解までの時間ｔｂｔを、半無限物体における１次熱伝導方程式において表面エネルギ保存法則を適用すると、ｔｂｔ＝ｄρΔＨ／０．１６Ｆ・Ａｂｓで表わすことができる。ここで、ρは対象材料の密度であり、ΔＨは溶融潜熱である。
【００３８】
上述のように、対象材料の膜が溶融するまでの時間ｔは、ｔ＝ｔｍ＋ｔｂｔとなる。この計算値に基づいて、材料改質すべき対象材料の膜あるいは層と、それが形成された基板あるいは他の膜とが溶融するまでの時間を求め、対象材料を最初に融解することができることを確認する。すなわち、対象材料を最初に融解することできれば、その計算により求めた時間だけ対象材料を輻射加熱することにより、対象材料を選択的に加熱して溶融させることができる。
【００３９】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００４０】
まず、本発明の第１の実施の形態による半導体製造装置について、図２を参照しながら説明する。図２は本発明の第１の実施の形態による半導体製造装置としての熱処理装置の概略構成を示しす図であり、図３は図２に示す熱処理装置の平面図である。
【００４１】
図２に示す熱処理装置は、選択加熱輻射装置であり、処理チャンバ内のサセプタ上に載置されたウェーハＷに対してレーザ光を照射してウェーハ表面（表面に形成された薄膜）を選択的に加熱する装置である。
【００４２】
処理チャンバ１内に配置されたサセプタ２は、サセプタ移動機構３により処理チャンバ１内で水平移動できるように構成されている。ウェーハＷはサセプタ２の上面に載置された状態で処理チャンバ１の天井壁１ａに対向する。天井壁１ａを含む処理チャンバ１の壁面は、例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミック材により形成され、処理チャンバ１内は周囲の雰囲気から隔離される。
【００４３】
処理チャンバ１の天井壁１ａのほぼ中央には、透過窓４が天井壁１ａの一部として設けられる。レーザ源５は処理チャンバ１の外側に設けられ、レンズやプリズム等よりなる光学系６を介してレーザ光を処理チャンバ１の内部に照射する。
【００４４】
すなわち、レーザ源５から出力されたレーザ光７は、レンズ６ａにより図３に示すように線状のレーザ光７ａとして拡大され、プリズムあるいは偏向反射板６ｂにより進行方向が９０度変えられて、処理チャンバ１の透過窓４に向けられる。
【００４５】
レーザ光７ａは透過窓４を通過してサセプタ２上に載置されたウェーハＷに照射される。ウェーハＷの表面あるいは、表面付近に形成された薄膜は、レーザ光７ａにより所定の温度に加熱される。ここで、レーザ源５の出力はパワーコントローラ８により制御され、所定の強度のレーザ光７ａがウェーハＷに照射されるよう構成されている。パワーコントローラ８がレーザ源５の出力をオフに制御することで、ウェーハＷの加熱は停止され、ウェーハＷの薄膜は冷却される。また、レーザ源５の出力を完全にオフすることなく冷却時にも小さな出力でレーザ光を出力させることにより、冷却速度を制御することができる。さらに、パワーコントローラ８は、レーザ出力強度が時間と共に変化するように制御することもできる。
【００４６】
サセプタ２はサセプタ移動機構３により処理チャンバ内で図２の矢印方向に段階的に水平移動できるように構成されており、ウェーハＷ上のレーザ照射位置を順次移動することにより、ウェーハＷは線状のレーザ光により走査されることとなる。これにより、ウェーハＷの全面にレーザ光７ａを照射してウェーハＷの全面を熱処理することができる。なお、サセプタ移動機構３は周知の移動機構により構成できるものであり、詳細な説明は省略する。
【００４７】
ここで、レーザ光７の波長は、加熱対象物質（ウェーハＷ又はウェーハＷ上に形成された薄膜）の光吸収波長に合わせて選定される。例えばウェーハＷ上に形成されたシリコン酸化膜の熱処理（材料改質）を行なう場合、波長９．６μｍ〜１０．６μｍの赤外レーザである炭酸ガスレーザ（ＣＯ_２レーザ）が適している。したがって、レーザ源５として炭酸ガスレーザを用いる。
【００４８】
ここで、従来の熱処理装置に用いられてい透過窓は溶融石英（透過波長０．４μｍ〜３．５μｍ）であり、波長９．６μｍ〜１０．６μｍの炭酸ガスレーザを透過することができない。したがって、照射光として炭酸ガスレーザを用いた場合、なるべく炭酸ガスレーザ光を吸収しないで透過するな材料として、例えば波長２．５μｍ〜１３μｍの光を透過するゲルマニウム（Ｇｅ）を透過窓４の材料として選定することが好ましい。
【００４９】
ただし、レーザの種類（波長）と透過窓４の材質とは上述の炭酸ガスレーザとゲルマニウムの組み合わせに限ることなく、加熱対象物質を選択的に加熱可能な波長と、その波長の光を損失少なく透過できる材料との組み合わせは様々なものが考えられる。
【００５０】
従来の溶融石英より長い波長の光を透過できる材料として、アルカリハライド、アルカリ土類フロライド、半導体材料、赤外透過ガラス等のような赤外透明結晶材料が考えられる。
【００５１】
例えばアルカリハライドとしては、ＮａＦ，ＮａＣｌ，ＫＣｌ，ＫＢｒ、ＫＩ，ＣｓＢｒ，ＣｓＩ等がある。アルカリ土類フロライドとしては、ＣａＦ_２，ＳｒＦ_２，ＢａＦ_２，ＭｇＦ_２，ＰｂＦ_２等がある。半導体材料としては、Ｇｅ，Ｓｉ，ＧａＡＳ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＣｄＴｅ等がある。赤外透過ガラスとしては、カルコゲナイドガラス（Ｇｅ３３Ａｓ１２Ｓ５５）、コーニング９７５４（商標）等がある。
【００５２】
以上のような赤外透明結晶材料により形成した透過窓に反射防止コーティングを施すことで赤外線透過率を向上することもできる。例えば、ＧｅあるいはＳｉにより形成した透過窓にＧｅ及びＳｉＯ_２のコーティングを両面に施す。また、ＺｎＳｅにより形成した透過窓にＺｎＳｅ及びＴｈＦ_４のコーティングを両面に施す。
【００５３】
また、処理チャンバの透過窓には大きな曲げ応力が加わることがあり、上記の材料単体では曲げ応力に耐えられない場合がある。そこで、透過窓を、曲げ応力に耐える強度を有する格子状の骨格部分と、骨格部分により分けられた小面積の部分とにより形成する。そして、骨格部分を比較的強度を有する例えば透光性セラミックスにより形成し、小面積の部分を上記の赤外透明結晶材料又はそれに反射防止コーティングを施したもので形成する。例えば、骨格部分をアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）又は単結晶アルミナとしてサファイヤにより形成し、小面積の部分をＢａＦ_２により形成することができる。あるいは、小面積の部分を、例えばＺｎＳｅ基板にＺｎＳｅ及びＴｈＦ_４のコーティングを両面コーティングしたものとしてもよい。
【００５４】
なお、上述の実施の形態では赤外レーザ光を照射して加熱する熱処理装置として説明したが、赤外レーザの代わりに赤外ランプを用いてもよい。また、レーザの種類も赤外レーザに限ることなく、加熱すべき対象物質によっては紫外レーザが適している場合もある。また、紫外レーザの代わりに紫外ランプを用いてもよい。
【００５５】
以上のように、本実施の形態による熱処理装置では、加熱すべき対象物質の光吸収波長に合致した波長の光を照射して効率的に対象物質を加熱する。また、加熱用の光が透過する透過窓の材料を、光の波長に応じて吸収されにくい材料を選定するので、光が透過窓を通過する際の損失が低減され、効率的に熱処理を行なうことができ、熱処理装置の運転に費やされるエネルギ量を低減することができる。
【００５６】
次に、本発明の第２の実施の形態による半導体製造装置としての熱処理装置について図４を参照しながら説明する。図４は本発明の第２の実施の形態による熱処理装置の全体構成を示す断面図である。
【００５７】
図４に示す熱処理装置は、選択加熱輻射装置であり、処理チャンバ内のサセプタ上に載置されたウェーハＷに対してランプ光を照射してウェーハ表面（表面に形成された薄膜）を選択的に加熱する装置である。
【００５８】
処理チャンバ１１内に配置されたサセプタ１２は、サセプタ回転機構１３により処理チャンバ１１内で水平回転できるように構成されている。ウェーハＷはサセプタ１２の上面に載置された状態で処理チャンバ１１の天井壁に対向する。処理チャンバ１１の壁面は、例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミック材により形成され、処理チャンバ１１の内部は周囲の雰囲気から隔離される。
【００５９】
処理チャンバ１の天井壁は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）により形成された透過窓１４となっている。複数のランプ１５は処理チャンバ１１の外側に設けられ、透過窓１４を介してランプ光を処理チャンバ１１の内部に照射する。
【００６０】
すなわち、ランプ１５から出力されたランプ光１７は、ランプ１５の周囲に設けられたリフレクタ１６により処理チャンバ１１の透過窓１４に向けられる。
【００６１】
ランプ光１７は透過窓１４を通過してサセプタ１２上に載置されたウェーハＷに照射される。ウェーハＷの表面あるいは、表面付近に形成された薄膜は、レーザ光１７により所定の温度に加熱される。ここで、ランプ電源１５の出力はパワーコントローラ１８により制御され、所定の強度のランプ光１７がウェーハＷに照射されるよう構成されている。パワーコントローラ１８がランプ電源１５の出力をオフに制御することで、ウェーハＷの加熱は停止され、ウェーハＷの薄膜は冷却される。また、ランプ電源１５の出力を完全にオフすることなく冷却時にも小さな出力でランプ光を出力させることにより、冷却速度を制御することができる。さらに、パワーコントローラ１８は、レーザ出力強度が時間と共に変化するように制御することもできる。
【００６２】
サセプタ１２はサセプタ回転機構１３により処理チャンバ内で回転できるように構成されており、ウェーハＷにランプ光が均一に照射される。これにより、ウェーハＷの全面を均一に熱処理することができる。なお、サセプタ回転機構１３は周知の回転機構により構成できるものであり、詳細な説明は省略する。
【００６３】
ここで、ランプ光１７の波長は、加熱対象物質（ウェーハＷ又はウェーハＷ上に形成された薄膜）の光吸収波長に合わせて選定される。例えばウェーハＷ上に形成されたシリコン酸化膜の熱処理（材料改質）を行なう場合、波長２μｍ〜１１μｍのセラミックコーティングランプが適している。また、この場合、ランプ光１７が通過する透過窓１４は、なるべくランプ光を吸収しないような材料として、例えば波長０．１５μｍ〜６．０μｍの光を透過するアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を選定することが好ましい。ただし、ランプ光の種類（波長）と透過窓１４の材質との組み合わせは、加熱対象物質を選択的に加熱可能な波長と、その波長の光を損失少なく透過できる材料として様々なものが考えられる。
【００６４】
次に、上述の熱処理装置を用いて薄膜を熱処理することにより材料改質する例について説明する。
【００６５】
１）大きな降温速度にて粒径を小さくする材料改質例
トランジスタ等の半導体製造工程において、ウェーハ上に薄膜を形成する工程の最初の部分（ＦＥＯＬ：ＦｒｏｎｔＥｎｄＯｆＬｉｎｅ）において、いわゆる非常に浅い結合（ＵＳＪ：ＵｌｔｒａＳｈａｌｌｏｗＪｕｎｃｔｉｏｎ）を形成するために、ドープされた不純物を活性化することを目的としてスパイクアニールが施される。さらに、フラッシュランプアニールと称される高速な昇降温を行なう熱処理が施される場合もある。
【００６６】
ドープされた不純物の活性化において、イオン注入れた不純物原子が非常に大きな速度を持つ過渡増速拡散が生じることに起因して、ＵＳＪサイズ（ＵＳＪ層の厚み）が大きくなってしまうおそれがある。したがって、これにより微細化寸法が損なわれないようにしながら、イオン注入された不純物原子が格子間原子から格子原子に収まって安定に機能する接合層となるように、高速な昇降温を伴う熱処理が必要となる。
【００６７】
このような高速な昇降温を伴う熱処理を実現するために、従来の半導体製造装置（熱処理装置）では、処理チャンバ内の大部分にわたって加熱することによりシリコン（Ｓｉ）ウェーハ全体を高速で昇温するような熱処理方法が採用されている。ところが、材料改質が必要な層はウェーハ全体の極一部であり、この層を加熱するために他の部分も一緒に加熱するということは効率的ではない。しかし、従来は材料改質が必要な層のみを選択的に加熱するといった発想や試みはなされていなかった。
【００６８】
また、従来の熱処理装置では昇温速度を上げるという試みは多数提案されているが、降温速度を上げるという試み、すなわち冷却速度を上げて急速冷却を行なうといる試みはあまり行なわれておらず、僅かにＵＶレーザアニールの実験例があるのみである。
【００６９】
ここで、選択加熱という技術と昇降温の速度の向上とは密接に関係している。特定の層に限定した選択加熱が実現できれば、加熱対象の熱容量を小さくすることができる。しかし、選択加熱が実現できないため、処理チャンバ全体という大きな熱容量のハードウェアを加熱しなければならず、また、処理チャンバ全体の伝熱特性に従った小さな降温速度での冷却を用いざるを得ないというのが現状であった。このため、トランジスタ形成時に注入した不純物の分布を浅い層に抑えながら活性化させて接合層を活性化させるような熱処理（アニール）を施すことができなかった。
【００７０】
そこで、図２に示す本発明による熱処理装置を用いて、シリコン酸化膜に対して炭酸ガスレーザ（ＣＯ_２レーザ）を照射することにより、シリコン酸化膜を選択加熱する。すなわち、ウェーハ上に形成されたシリコン酸化膜の光吸収係数が大きい波長に対応した波長を有する炭酸ガスレーザ（波長９．６〜１０．６μｍ）をシリコン酸化膜に照射する。これにより、加熱対象である酸化膜のみを選択的に加熱し溶融することができる。なお、炭酸ガスレーザにより選択加熱が可能なシリコン酸化膜として、Ｓｉ−Ｏ結合を有する低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）や、ＳｉＯＮ膜あるいはＨｆＯ膜のような高誘電率膜（Ｈｉｇｈ−ｋ膜）が挙げられる。
【００７１】
シリコン酸化膜が溶融した後に、炭酸ガスレーザの照射エネルギを急激に小さくすることにより、溶融したシリコン酸化膜を大きな冷却速度で冷却する。すなわち、シリコン酸化膜のみが選択的に加熱されているため、シリコン酸化膜の周囲の部分は低温のままであり、シリコン酸化膜の熱が急速に周囲に拡散するため、シリコン酸化膜自体を急速冷却することができる。
【００７２】
以上のような選択加熱及び急速冷却を、スクリーン酸化膜の下のソースとドレインとの間に形成される浅い結合層（ＳｈａｌｌｏｗＪｕｎｃｔｉｏｎ層）に適用することにより、浅い結合層を不純物拡散を起こさずに活性化することができる。不純物の拡散は、浅い結合層の縦方向（厚さ方向）のみならず横方向に関しても抑制することができるので、微細化されたＭＯＳトランジスタ構造を実現するのに適した接合層を形成することができる。
【００７３】
また、急速冷却を行なうことができるため、ゲート酸化膜（例えばＨｆＳｉＯＮ膜）の結晶化及び結晶成長が抑制できる。これにより、粒界を伝わって流れるリーク電流を低減することができ、構成能なトランジスタを形成することができる。
【００７４】
ここで、図５は、波長９．６μｍ〜１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光をスクリーン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）に照射した際の溶融時間を試算した結果を示す図である。スクリーン酸化膜及び他の層の溶融時間は、上述したように、対象材料の膜が溶融するまでの時間をｔ＝ｔｍ＋ｔｂｔとする計算方法によりより求めた。
【００７５】
スクリーン酸化膜は、シリコン（Ｓｉ）基板上に形成されたものとし、シリコン基板は、厚さ５ｍｍのアルミニウム底板上に載置されたものとした。シリコン基板は、スクリーン酸化膜との境界面から１００Åまでを最表層、その下１００Åまでを第２層、さらにその下１００Åまでを第３層として、各層の溶融時間を試算した。また、透過窓は表面コーティングされたゲルマニウム（Ｇｅ）で形成されているものとした。また、炭酸ガスレーザ光のエネルギ密度は１×１０^５Ｗ／ｃｍ^２とした。
【００７６】
図５に示すように、ＳｉＯ_２膜の吸収係数αを１．６×１０^４／ｃｍとした場合、膜厚が５０Åであっても１００Åであっても、ＳｉＯ_２膜が融解するまでの時間は、他の層が融解するまでの時間より短く、且つその直下のシリコン基板の最表層が融解するまで時間の半分以下であり、選択的にＳｉＯ_２膜のみを融解できることが確認できた。
【００７７】
また、ＳｉＯ_２膜の吸収係数αを６．０×１０^３／ｃｍとし、且つ膜厚を１００Åとした場合でも、ＳｉＯ_２膜が融解するまでの時間は、他の層が融解するまでの時間より短く、且つその直下のシリコン基板の最表層が融解するまで時間の約半分であり、選択的にＳｉＯ_２膜のみを融解できることが確認できた。
【００７８】
さらに、ＳｉＯ_２膜の吸収係数αを６．０×１０^３／ｃｍとし、且つ膜厚を１００Åとした場合には、シリコン基板の最表層の方がＳｉＯ_２膜より早く融解するものの、ＳｉＯ_２膜が融解するまでの時間は、シリコン基板の第２層が融解するまでの時間の約半分であり、選択的にＳｉＯ_２膜を融解できることが確認できた。
【００７９】
以上のように、ＳｉＯ_２膜と下地のシリコン基板が融解するまでの時間を試算した結果、ＳｉＯ_２膜の条件が変わったとしても、選択的にＳｉＯ_２膜を融解できることがわかった。
【００８０】
以上のように、本発明による熱処理装置を用いて、酸化膜の吸収係数が非常に大きくなる波長の光を照射して酸化膜を選択的に輻射加熱し、且つ大きな冷却速度で冷却することにより、ＭＯＳトランジスタ等の半導体構造の形成においてレーザアニール等の熱処理を効率的に行なうことができる。また、微細化構造に適した浅い接合層を容易に形成することができる。
【００８１】
シリコン酸化膜の選択加熱及び急速冷却による材料改質は、炭酸ガスレーザを用いた図２に示す熱処理装置により行なうことができるが、光源としてレーザに限ることなく、赤外ランプ（ＩＲランプ）による赤外線照射によっても行なうことができる。すなわち、図２に示す熱処理装置の代わりに、ランプ光源としてセラミックコーティングランプ（波長２〜１１μｍ）のような赤外ランプを用いた図４に示す熱処理装置を用いることもできる。この場合、透過窓４を形成する材料としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いてもよい。アルミナの光透過波長は０．１５μｍ〜６．０μｍであり、透過できる光の波長範囲がゲルマニウムより狭いが、赤外ランプ光は炭酸ガスレーザ光よりエネルギ密度が小さいため、問題なく使用することができる。
【００８２】
赤外ランプから赤外線をトランジスタ構造中のスクリーン酸化膜またはゲート酸化膜に照射して溶融し、その後、照射エネルギを急速に小さくして急速冷却する。これにより、上述のレーザ光照射による選択加熱及び急速冷却と同様な効果を得ることができる。赤外ランプを光源として用いることにより、レーザ源を用いる場合よりも安価な熱処理装置を実現することができる。また、アルミナ製の透過窓を用いることで製造コストを更に低減することができる。
【００８３】
２）大きな降温速度にて偏析を起こさせる材料改質例
従来、熱処理装置にてＭＯＳトランジスタのＦＥＯＬ構造全体をアニールする際、ゲート酸化膜層のみ改質することはできなかった。また、昇温速度を制御する技術は数多く提案されているが、冷却速度まで制御する技術は提案されていない。すなわち、従来の熱処理装置では、ウェーハ全体を含む処理チャンバ内全体を加熱・冷却するだけであり、例えば改質が必要なゲート酸化膜であるＳｉＯＮ層を選択的に加熱・冷却することはできなかった。すなわち、加熱対象材料層はウェーハ全体と共に加熱され、ウェーハ全体の冷却により加熱対象材料層も冷却される。したがって加熱対象層の冷却速度はウェーハ全体の冷却速度に支配され、急速冷却を行なうことができなかった。
【００８４】
上述のように、従来の熱処理装置を用いた熱処理方法では、ゲート酸化膜を所定の温度に加熱・溶融することはできても、溶融したゲート酸化膜はゆるやかな冷却速度で凝固する。このため、ゲート酸化膜であるＳｉＯＮ層中の窒素原子の深さ分布は、注入されたときの状態のままで変えることはできない。ここで、窒素原子を意図的に最表面層に移動させることができれば、ゲート酸化膜からのリーク電流を低減することができる。しかし、窒素原子をゲート酸化膜の最表面層に移動させる（すなわち窒素を最表面層に偏析させる）には、溶融したゲート酸化膜を急速冷却して急速に凝固させる必要がある。
【００８５】
そこで、本発明による熱処理装置を用いて、ゲート酸化膜の光吸収係数が大きくなる波長を有した炭酸ガスレーザをウェーハ（すなわち、ゲート酸化膜）に照射し、ゲート酸化膜を加熱・溶融する。その後、レーザ照射エネルギを低減して冷却速度を制御しながらゲート酸化膜を凝固させる。すなわち、図２に示すレーザ源５の出力をパワーコントローラ８により制御することにより、溶融したＳｉＯＮ層を下層側から上層側に向かって凝固するように炭酸ガスレーザの照射エネルギを制御する。これにより、溶融したゲート酸化膜が凝固する際に、窒素原子を最表面層に高濃度偏析させることができ、下地界面の良好な状態を保ちつつ、トランジスタ構造中のゲート酸化膜（ＳｉＯＮ層）のリーク電流を低減することができ、且つゲート電極ポリシリコン中の不純物のＳｉＯＮ中への拡散（あるいはや突き抜け）を抑制することができる。
【００８６】
以上の例では、ゲート酸化膜を選択的に加熱し、且つ冷却速度を制御することにより、ゲート酸化膜中で窒素原子を意図的に偏析させ、所望の効果を得るものである。加熱した後にレーザ照射を停止することにより、大きな冷却速度で冷却することができるため、レーザのパワーを適度に落とした状態で照射しながら冷却することにより、冷却速度を制御することができ、また、下層側から凝固するように制御することができる。
【００８７】
ここで、図６は、波長９．６μｍ〜１０．６μｍの炭酸ガスレーザ光をゲート酸化膜（ＳｉＯＮ膜）に照射した際の溶融時間を試算した結果を示す図である。ゲート酸化膜及び他の層の溶融時間は、上述したように、対象材料の膜が溶融するまでの時間をｔ＝ｔｍ＋ｔｂｔとする計算方法によりより求めた。
【００８８】
ＳｉＯＮ膜は、シリコン（Ｓｉ）基板上に形成されたＳｉＯ_２膜の上に形成されたものとし、シリコン基板は、厚さ５ｍｍのアルミニウム底板上に載置されたものとした。ＳｉＯＮ膜の厚みは５０Å、ＳｉＯ_２膜の厚みは１５０Åとした。また、シリコン基板の厚みは７３０μｍとした。また、透過窓は表面コーティングされたゲルマニウム（Ｇｅ）で形成されているものとした。また、炭酸ガスレーザ光のエネルギ密度は１×１０^５Ｗ／ｃｍ^２とした。
【００８９】
図６に示すように、ＳｉＯＮ膜の吸収係数αを１．６×１０^５／ｃｍ、１．６×１０^４／ｃｍ、及び６．０×１０^３／ｃｍとした場合、そのいずれにおいても、ＳｉＯＮ膜が融解するまでの時間は、他の層が融解するまでの時間より短く、且つその直下ＳｉＯ_２膜が融解するまで時間の約半分であり、選択的にＳｉＯＮ膜のみを融解できることが確認できた。
【００９０】
また、ＳｉＯＮ膜の吸収係数αを２．９×１０^２／ｃｍとした場合でも、ＳｉＯＮ膜が融解するまでの時間は、他の層が融解するまでの時間より短く、且つその直下ＳｉＯ_２膜が融解するまで時間の約半分であり、選択的にＳｉＯＮ膜のみを融解できることが確認できた。
【００９１】
以上のように、ＳｉＯＮ膜と下地のＳｉＯ_２膜と基板とが融解するまでの時間を試算した結果、ＳｉＯＮ膜の条件が変わったとしても、選択的にＳｉＯＮ膜を融解できることがわかった。
【００９２】
以上のように、ゲート酸化膜の選択加熱及び急速冷却による材料改質は、炭酸ガスレーザを用いた図２に示す熱処理装置により行なうことができるが、光源としてレーザに限ることなく、赤外ランプ（ＩＲランプ）による赤外線照射によっても行なうこともできる。すなわち、図２に示す熱処理装置の代わりに、ランプ光源としてセラミックコーティングランプ（波長２〜１１μｍ）のような赤外ランプを用いた図４に示す熱処理装置を用いることもできる。この場合、透過窓４を形成する材料としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いてもよい。
【００９３】
赤外ランプから赤外線をトランジスタ構造中のゲート酸化膜に照射して溶融し、その後、照射エネルギを小さくして冷却速度を制御しながら冷却する。これにより、上述のレーザ光照射による選択加熱及び制御された冷却と同様な効果を得ることができる。赤外ランプを光源として用いることにより、レーザ源を用いる場合よりも安価な熱処理装置を実現することができる。また、アルミナ製の透過窓を用いることで製造コストを更に低減することができる。
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、加熱すべき対象物質を選択的に加熱し且つ冷却することにより、加熱対象物質の材料改質を行なうことができる。また、選択加熱であるため、加熱に費やされるエネルギを低減することができ、半導体製造装置の省エネルギ化及び低温加熱を達成することができる。また、加熱対象物質のみを選択的に加熱・溶融し、且つ凝固速度を制御することにより、加熱対象物質の材料改質を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコン基板上にＳＣ−Ｏｘ膜が形成された層構造に炭酸ガスレーザを照射して加熱した際の層構造中の温度上昇を示すグラフである。
【図２】本発明の第１の実施の形態による熱処理装置の全体構成を示す断面図である
【図３】図１に示す熱処理装置の平面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態による熱処理装置の全体構成を示す断面図である。
【図５】炭酸ガスレーザ光をスクリーン酸化膜に照射した際の溶融時間を試算した結果を示す図である。
【図６】炭酸ガスレーザ光をゲート酸化膜に照射した際の溶融時間を試算した結果を示す図である。
【符号の説明】
１，１１処理チャンバ
１ａ天井壁
２，１２サセプタ
３サセプタ移動機構
４，１４透過窓
５レーザ源
６光学系
７，７ａレーザ光
８，１８パワーコントローラ
１３サセプタ回転機構
１５ランプ
１６リフレクタ
１７ランプ光

Claims

加熱対象物質に対して光を照射して輻射加熱により熱処理を行なう半導体製造装置であって、
加熱対象物質を含む被処理体が配置される処理チャンバと、
該処理チャンバの外壁の一部として設けられた透過窓と、
該透過窓を介して前記加熱対象物質に光を照射する光源と、
該光源の出力を制御する制御器と
を有し、
前記光源から照射される光の波長は、前記加熱対象物質の光吸収係数が大きい波長であり、
前記透過窓は、該波長の光を吸収しない材料により形成されることを特徴とする半導体製造装置。
請求項１記載の半導体製造装置であって、
前記光源はレーザ光を出力するレーザ源であり、該レーザ光が前記加熱対象物質に対して線状に照射されるように該レーザ光を導く光学系を更に有することを特徴とする半導体製造装置。
請求項２記載の半導体製造装置であって、
前記レーザ源は赤外レーザであり、前記加熱対象物質は半導体製造工程の初期工程において形成されるシリコン酸化膜であることを特徴とする半導体製造装置。
請求項３記載の半導体装置であって、
前記赤外レーザは炭酸ガスレーザであり、前記透過窓はゲルマニウムにより形成されることを特徴とする半導体製造装置。
請求項１記載の半導体製造装置であって、
前記光源は赤外光を出力する赤外ランプであり、前記加熱対象物質は半導体製造工程の初期工程において形成されるシリコン酸化膜であることを特徴とする半導体製造装置。
請求項５記載の半導体製造装置であって、
前記透過窓はＡｌ_２Ｏ_３により形成されることを特徴とする半導体製造装置。
半導体製造に用いられる熱処理方法であって、
加熱対象物質の光吸収波長に対応した波長を有する光を該加熱対象物質に照射して、該加熱対象物質を周囲の部分に対して選択的に加熱し、
該照射する光の強度を制御して、加熱された前記対象物質を周囲への伝熱作用により冷却する
ことを特徴する熱処理方法。
請求項７記載の熱処理方法であって、
前記加熱対象物質はシリコン酸化膜であり、前記光は炭酸ガスレーザ光であることを特徴とする熱処理方法。
請求項８記載の熱処理方法であって、
前記加熱対象物質はシリコン酸化膜であり、前記光は赤外ランプから出力される赤外光であることを特徴とする熱処理方法。
請求項７記載の熱処理方法であって、
前記加熱対象物質を選択的に加熱することにより溶融し、その後の冷却過程において、結晶化及び結晶の成長が抑制されるように急速冷却することを特徴とする熱処理方法。
請求項７記載の熱処理方法であって、
前記加熱対象物質を選択的に加熱することにより溶融し、その後の冷却過程において前記加熱対象物質が凝固する際に内部の元素が偏析するように冷却速度を制御することを特徴とする熱処理方法。