JP2005032949A - Apparatus and method for heat treatment - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェハーやガラス基板等(以下、単に「基板」と称する)の周辺に気流を形成した状態で、当該基板に対してアシスト加熱を行いつつ閃光照射を行う熱処理装置および熱処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、イオン注入後の半導体ウェハーのイオン活性化工程においては、ハロゲンランプを使用したランプアニール装置等の熱処理装置が使用されている。このような熱処理装置においては、半導体ウェハーを、例えば、1000℃ないし1100℃程度の温度に加熱(アニール)することにより、半導体ウェハーのイオン活性化を実行している。そして、このような熱処理装置においては、ハロゲンランプより照射される光のエネルギーを利用することにより、毎秒数百度程度の速度で基板を昇温する構成となっている。
【0003】
しかしながら、毎秒数百度程度の速度で基板を昇温する熱処理装置を使用して半導体ウェハーのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウェハーに打ち込まれたイオンのプロファイルがなまる、すなわち、熱によりイオンが拡散してしまうという現象が生ずることが判明した。このような現象が発生した場合においては、半導体ウェハーの表面にイオンを高濃度で注入しても、注入後のイオンが拡散してしまうことから、イオンを必要以上に注入しなければならないという問題が生じていた。
【0004】
上述した問題を解決するため、キセノンフラッシュランプ等を使用して半導体ウェハーの表面に閃光照射を行うことにより、イオンが注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間(数ミリセカンド以下)に昇温させる技術が提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。このような閃光照射による極短時間の昇温であれば、イオンが拡散するための十分な時間がないため、半導体ウェハーに打ち込まれたイオンのプロファイルをなまらせることなく、イオン活性化のみを実行することができるのである。
【0005】
ところで、このように閃光照射を行うことによって半導体ウェハーの昇温を行う熱処理においては、打ち込まれたイオンが拡散してしまわない程度の温度(200℃ないし600℃程度)まで半導体ウェハーをアシスト加熱し、その上で閃光照射を行う場合がある(例えば、特許文献3参照)。これは、キセノンフラッシュランプから照射される閃光のエネルギーだけでは、イオン活性化に必要な温度(1000℃ないし1100℃程度)まで半導体ウェハーの表面を昇温させることが困難であるためである。
【0006】
また、閃光照射を行うことによって半導体ウェハーの昇温を行う熱処理においては、半導体ウェハーの周辺に不活性ガスの気流を形成した状態で、このようなアシスト加熱や閃光照射を行う場合がある(例えば、特許文献3参照)。これは、主として、アシスト加熱や閃光照射を受ける間、半導体ウェハー周辺の雰囲気における酸素濃度を低下させるためである。
【0007】
【特許文献1】
特開昭59−169125号公報
【特許文献2】
特開昭63−166219号公報
【特許文献3】
特開2003−173983号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような熱処理においては、半導体ウェハーの周辺に気流を形成した状態でアシスト加熱を行うと、その気流により半導体ウェハーの表面が冷却され、半導体ウェハー表面に温度勾配が生じてしまう。具体的には、半導体ウェハーの表面のうち気流の上流側に位置する部分の方が、下流側に位置する部分よりも冷却効果を強く受けるため、比較的低温となる傾向がある。
【0009】
このように表面に温度勾配が生じている状態の半導体ウェハーに対して閃光照射を行った場合には、閃光照射によって半導体ウェハーが到達する温度も不均一なものとなり、イオンの活性化を半導体ウェハー全体で一様に実行することが困難となる。
【0010】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、基板の周辺に気流を形成しつつ、当該基板に対してアシスト加熱および閃光照射を行う熱処理装置または熱処理方法において、基板表面の温度勾配を緩和した状態で閃光照射を行うことができる技術を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、基板を処理対象とする熱処理装置であって、基板に対するアシスト加熱を所定の加熱期間内に行うアシスト加熱手段と、前記アシスト加熱中の基板に対して閃光照射を行う閃光照射手段と、前記加熱期間において基板の周辺に気流を形成する気流形成手段と、前記気流の流量を調節する流量調節手段と、前記加熱期間のうち、前記閃光照射が開始される時刻の所定時間前から前記閃光照射が終了する時刻またはその後の所定時刻までの間の前記気流の単位時間あたりの流量が、その前後の前記気流の単位時間あたりの流量よりも低くなるように、前記流量調節手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【0012】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の熱処理装置であって、前記制御手段は、前記閃光照射が開始される時刻の所定時間前から前記閃光照射が終了する時刻またはその後の所定時刻までの間の前記気流を停止させるように、前記流量調節手段を制御することを特徴とする。
【0013】
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載の熱処理装置であって、前記所定時間は、0.1秒以上10秒以下であることを特徴とする。
【0014】
請求項4に係る発明は、基板を処理対象とする熱処理方法であって、基板に対するアシスト加熱を所定の加熱期間内に行うアシスト加熱工程と、前記アシスト加熱中の基板に対して閃光照射を行う閃光照射工程と、前記加熱期間において基板の周辺に気流を形成する気流形成工程と、を備え、前記気流形成工程においては、前記閃光照射が開始される時刻の所定時間前から前記閃光照射が終了する時刻またはその後の所定時刻までの間の前記気流の単位時間あたりの流量を、その前後の前記気流の単位時間あたりの流量よりも低くすることを特徴とする。
【0015】
請求項5に係る発明は、請求項4に記載の熱処理方法であって、前記気流形成工程においては、前記閃光照射が開始される時刻の所定時間前から前記閃光照射が終了する時刻またはその後の所定時刻までの間の前記気流を停止させることを特徴とする。
【0016】
請求項6に係る発明は、請求項4または請求項5に記載の熱処理方法であって、前記所定時間は、0.1秒以上10秒以下であることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0018】
図1および図2は本発明に係る熱処理装置の構成を示す側断面図である。この熱処理装置は、キセノンフラッシュランプからの閃光によって半導体ウェハー等の基板の熱処理を行う装置である。
【0019】
この熱処理装置は、透光板61、底板62および一対の側板63、64からなり、その内部に半導体ウェハーWを収納して熱処理するためのチャンバー65を備える。チャンバー65の上部を構成する透光板61は、例えば、石英等の赤外線透過性を有する材料から構成されており、光源5から出射された光を透過してチャンバー65内に導くチャンバー窓として機能している。また、チャンバー65を構成する底板62には、後述する熱拡散板73および加熱プレート74を貫通して半導体ウェハーWをその下面から支持するための支持ピン70が立設されている。
【0020】
また、チャンバー65を構成する側板64には、半導体ウェハーWの搬入および搬出を行うための開口部66が形成されている。開口部66は、軸67を中心に回動するゲートバルブ68により開閉可能となっている。半導体ウェハーWは、開口部66が解放された状態で、図示しない搬送ロボットによりチャンバー65内に搬入される。また、チャンバー65内にて半導体ウェハーWの熱処理が行われるときには、ゲートバルブ68により開口部66が閉鎖され、チャンバー65内部の雰囲気は外部の雰囲気から遮断される。
【0021】
チャンバー65の上方には、閃光照射手段となる光源5が設けられている。光源5は、複数(本実施形態においては27本)のキセノンフラッシュランプ69(以下、単に「フラッシュランプ69」とも称する)と、リフレクタ71とを備える。複数のフラッシュランプ69は、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が水平方向に沿うようにして互いに平行に平面状に配列されている。リフレクタ71は、複数のフラッシュランプ69の上方にそれらの全体を被うように配設されている。
【0022】
このキセノンフラッシュランプ69は、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設されたガラス管と、当該ガラス管の外局部に巻回されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、そのときのジュール熱でキセノンガスが加熱されて光が放出される。このキセノンフラッシュランプ69においては、予め蓄えられていた静電エネルギーが0.1ミリセカンドないし10ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。
【0023】
光源5と透光板61との間には、光拡散板(ディフューザ)72が配設されている。この光拡散板72は、赤外線透過材料としての石英ガラスの表面に光拡散加工を施したものが使用され、複数のフラッシュランプ69のそれぞれから出射された光を拡散させるものである。
【0024】
フラッシュランプ69から放射された光の一部は直接に光拡散板72および透光板61を透過してチャンバー65内へと向かう。また、フラッシュランプ69から放射された光の他の一部は一旦リフレクタ71によって反射されてから光拡散板72および透光板61を透過してチャンバー65内へと向かう。
【0025】
チャンバー65内には、アシスト加熱手段としての加熱プレート74と熱拡散板73とが設けられている。熱拡散板73は加熱プレート74の上面に貼着されている。
【0026】
加熱プレート74は、半導体ウェハーWをアシスト加熱(予備加熱)するためのものである。この加熱プレート74は、窒化アルミニウムにて構成され、その内部にヒータと当該ヒータを制御するためのセンサとを収納した構成を有する。一方、熱拡散板73は、加熱プレート74からの熱エネルギーを拡散して半導体ウェハーWを均一にアシスト加熱するためのものであり、平面視において半導体ウェハーWよりも若干大きな系を有する。この熱拡散板73の材質としては、サファイア(Al2O3:酸化アルミニウム)や石英等の比較的熱伝導率が小さいものが採用される。
【0027】
熱拡散板73および加熱プレート74は、モータ40の駆動により、図1に示す半導体ウェハーWの搬入・搬出位置と図2に示す半導体ウェハーWの熱処理位置との間を昇降する構成となっている。
【0028】
すなわち、加熱プレート74は、筒状体41を介して移動板42に連結されている。この移動板42は、チャンバー65の底板62に釣支されたガイド部材43により案内されて昇降可能となっている。また、ガイド部材43の下端部には、固定板44が固定されており、この固定板44の中央部にはボールネジ45を回転駆動するモータ40が配設されている。そして、このボールネジ45は、移動板42と連結部材46、47を介して連結されたナット48と螺合している。このため、熱拡散板73および加熱プレート74は、モータ40の駆動により、図1に示す半導体ウェハーWの搬入・搬出位置と図2に示す半導体ウェハーWの熱処理位置との間を昇降することができる。
【0029】
図1に示す半導体ウェハーWの搬入・搬出位置は、図示しない搬送ロボットを使用して開口部66から搬入した半導体ウェハーWを支持ピン70上に載置し、あるいは、支持ピン70上に載置された半導体ウェハーWを開口部66から搬出することができるように、熱拡散板73および加熱プレート74が下降した位置である。この状態においては、支持ピン70の上端は、熱拡散板73および加熱プレート74に形成された貫通孔を通過し、熱拡散板73の表面より上方に突出する。
【0030】
一方、図2に示す半導体ウェハーWの熱処理位置は、半導体ウェハーWに対して熱処理を行うために、熱拡散板73および加熱プレート74が支持ピン70の上端より上方に上昇した位置である。熱拡散板73および加熱プレート74が図1の搬入・搬出位置から図2の熱処理位置に上昇する過程において、支持ピン70に載置された半導体ウェハーWは熱拡散板73によって受け取られ、その下面を熱拡散板73の表面に支持されて上昇し、チャンバー65内の透光板61に近接した位置に水平姿勢にて保持される。逆に、熱拡散板73および加熱プレート74が熱処理位置から搬入・搬出位置に下降する過程においては、熱拡散板73に支持された半導体ウェハーWは支持ピン70に受け渡される。
【0031】
半導体ウェハーWを支持する熱拡散板73および加熱プレート74が熱処理位置に上昇した状態においては、それらに保持された半導体ウェハーWと光源5との間に透光板61が位置することとなる。なお、このときの熱拡散板73と光源5との間の距離についてはモータ40の回転量を制御することにより任意の値に調整することが可能である。
【0032】
また、チャンバー65の底板62と移動板42との間には筒状体41の周囲を取り囲むようにしてチャンバー65を気密状体に維持するための伸縮自在の蛇腹77が配設されている。熱拡散板73および加熱プレート74が熱処理位置まで上昇したときには蛇腹77が収縮し、熱拡散板73および加熱プレート74が搬入・搬出位置まで下降したときには蛇腹77が伸長してチャンバー65内の雰囲気と外部雰囲気とを遮断する。
【0033】
チャンバー65における開口部66と反対側の側板63には、チャンバー65内に窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを導入するための導入路78が形成されている。図7は、導入路78を含む部材の水平断面図である。導入路78は、チャンバー65内に複数の吐出孔781を有し、チャンバー65内に向けて(図7の矢印の向きに)不活性ガスを導入することができる。また、導入路78の他端側は、流量調節弁80を介して不活性ガス供給源82に連通接続されている。なお、ここで用いている流量調節弁80は、その開閉を切り替えることができるとともに開放時には通過する不活性ガスの流量を任意に絞ることができる弁、すなわち、通過する不活性ガスの流量を0以上の範囲で調節することができる弁であるものとする。そして、本明細書における「流量を調節する」という表現は、「流れを停止させる」ことをも含む意味で使用される表現であるものとする。この流量調節弁80を操作することによって、不活性ガス供給源82からチャンバー65内へ不活性ガスを導入することができるとともに、導入する不活性ガスの流量を調節することができる。
【0034】
一方、側板64における開口部66には、チャンバー65内の気体を排出するための排出路79が形成されている。排出路79は、開閉弁81を介して図示しない排気手段へ連通接続されている。このため、開閉弁81を開放することによってチャンバー65内の初期雰囲気または導入路78から導入された不活性ガスを排気することができ、開閉弁81を閉鎖することによってその排気を停止させることができる。
【0035】
図3は、熱拡散板73上に保持された半導体ウェハーW周辺の拡大側断面図である。上述したような流量調節弁80と開閉弁81とを共に開放することによって、半導体ウェハーWの周辺には、導入路78側から排出路79側へ向かう不活性ガスの気流Gが形成される。本実施形態では、このようにして半導体ウェハーWの周辺の酸素濃度を低下させるようにしている。また、流量調節弁80を操作することによって、その気流Gの単位時間あたりの流量を調節することができる。このとき、流量調節弁80、開閉弁81、および不活性ガス供給源82は、半導体ウェハーWの周辺に不活性ガスの気流Gを形成する気流形成手段として機能し、さらに流量調節弁80は、その気流Gの流量を調節する流量調節手段としても機能することになる。
【0036】
また、流量調節弁80および開閉弁81には、制御手段10が電気的に接続されている。制御手段10は、流量調節弁80および開閉弁81に対してそれぞれ所定の電気信号を送信することによって、各弁の開閉を操作することができる。
【0037】
次に、上記構成を有する熱処理装置による半導体ウェハーWの熱処理動作について説明する。この熱処理装置において処理対象となる半導体ウェハーWは、イオン注入後の半導体ウェハーである。
【0038】
図4(a)は、本実施形態でアシスト加熱または閃光照射が行われている加熱期間(時刻t1から時刻t6までの間)における、半導体ウェハーWの表面温度変化の概略を示したグラフである。ただし、時刻t1から時刻t6までの間においては、半導体ウェハーWの表面温度が均一でない時刻も存在するが、図4(a)のグラフでは、各時刻における半導体ウェハーW上面の平均的な表面温度を示している。また、図4(b)は、同じく時刻t1から時刻t6までの間において、半導体ウェハーWの周辺に形成する気流Gの単位時間あたりの流量の変化を示したグラフである。以下では、図1〜図3に加えて、図4(a)および図4(b)も随時参照しつつ、説明する。
【0039】
この熱処理装置においては、熱拡散板73および加熱プレート74が図1に示す半導体ウェハーWの搬入・搬出位置に配置された状態にて、図示しない搬送ロボットにより開口部66を介して半導体ウェハーWが搬入され、支持ピン70上に載置される。半導体ウェハーWの搬入が完了すれば、開口部66がゲートバルブ68により閉鎖される。しかる後、熱拡散板73および加熱プレート74がモータ40の駆動により図2に示す半導体ウェハーWの熱処理位置まで上昇し、半導体ウェハーWを水平姿勢にて保持する。
【0040】
このとき、熱拡散板73および加熱プレート74は、加熱プレート74に内蔵されたヒータの作用により予め所定温度に加熱されている。このため、熱拡散板73が半導体ウェハーWを保持し、半導体ウェハーWが熱拡散板73と接触した時刻t0から継続的なアシスト加熱を含む加熱期間が開始され、図3(a)に示したように、半導体ウェハーWの温度が次第に上昇する。
【0041】
また、少なくとも半導体ウェハーWが熱拡散板73の上面に保持された時刻t0では、流量調節弁80および開閉弁81は制御手段10によって自動的に開放され、チャンバー65内には不活性ガスの気流が形成される。したがって、図3(b)に示したように、半導体ウェハーWの周辺にも所定の流量V2の気流Gが形成される。
【0042】
半導体ウェハーWの温度上昇時には、図示しない温度センサにより、半導体ウェハーWの表面温度がアシスト加熱温度T1に到達したか否かを常に監視する。このアシスト加熱温度T1は、例えば200℃ないし600℃程度、好ましくは350℃〜550℃程度の温度である。半導体ウェハーWをこの程度のアシスト加熱温度T1まで加熱したとしても、半導体ウェハーWに打ち込まれたイオンが拡散してしまうことはない。
【0043】
半導体ウェハーWの表面温度がアシスト加熱温度T1に到達した時刻t1より後であって、フラッシュランプ69からの閃光照射が開始される時刻t3より所定時間前の時刻t2において、流量調節弁80が制御手段10によって自動調節され、半導体ウェハーWの周辺に形成される不活性ガスの気流Gの単位時間あたりの流量が、流量V2から流量V1へ低下する。時刻t1から時刻t2までの間には、アシスト加熱を受けている半導体ウェハーWの周辺には比較的高い流量V2の気流Gが形成されている。したがって、半導体ウェハーWの表面には、その流量V2の気流Gの冷却効果による温度勾配が生じている。しかし、時刻t2に不活性ガスの気流を流量V1に低下させた後においては、その冷却効果も低減するため、半導体ウェハーW表面の温度勾配が緩和される。
【0044】
ここで、時刻t2から時刻t3までの時間(t3−t2)は、半導体ウェハーW表面の温度勾配を緩和させる効果を得ることができる程度の時間であることが必要である。具体的には、時間(t3−t2)は、0.1秒以上で温度勾配の緩和効果を得ることができ、10秒程度あれば熱拡散板73中の熱伝導が十分に行われ温度勾配は緩和され得る。一方、時間(t3−t2)は、半導体ウェハーWの周辺雰囲気における酸素濃度を上昇させないためには、なるべく短い時間であることが望ましい。したがって、時間(t3ーt2)は、0.1秒以上10秒以下に設定することが望ましい。
【0045】
このようにして半導体ウェハーW表面の温度勾配を緩和した後、時刻t3においてフラッシュランプ69を点灯させ、閃光照射を開始する。この閃光照射は、0.1ミリセカンドないし10ミリセカンド程度の極めて短い時間継続し、時刻t4において終了する。フラッシュランプ69による閃光照射では、予め蓄えられていた静電エネルギーがこのような極めて短い光パルスに変換されることから、極めて強い閃光が照射されることになる。
【0046】
このような閃光照射により、半導体ウェハーWの表面温度は瞬間的に温度T2に到達する。この温度T2は、1000℃ないし1100℃程度の半導体ウェハーWのイオン活性化処理に必要な温度である。半導体ウェハーWの表面がこのような処理温度T2にまで昇温されることにより、半導体ウェハーW中に打ち込まれたイオンが活性化される。
【0047】
このとき、半導体ウェハーWの表面温度が0.1ミリセカンドないし10ミリセカンド程度の極めて短い時間で処理温度T2まで昇温されることから、半導体ウェハーW中のイオン活性化は短時間で完了する。従って、半導体ウェハーWに打ち込まれたイオンが拡散することはなく、半導体ウェハーWに打ち込まれたイオンのプロファイルがなまるという現象の発生を防止することが可能となる。なお、イオン活性化に必要な時間はイオンの拡散に必要な時間に比較して極めて短いため、0.1ミリセカンドないし10ミリセカンド程度の拡散が生じない短時間であってもイオン活性化は完了する。
【0048】
また、フラッシュランプ69を点灯して半導体ウェハーWを加熱する前に、加熱プレート74を使用して半導体ウェハーWの表面温度を200℃ないし600℃程度のアシスト加熱温度T1まで加熱していることから、フラッシュランプ69により半導体ウェハーWを1000℃ないし1100℃程度の処理温度T2まで速やかに昇温させることが可能となる。
【0049】
そして、フラッシュランプ69による閃光照射か終了した時刻t4以後の時刻t5において、流量調節弁80が制御手段10により自動調節され、半導体ウェハーWの周辺に形成される気流Gの単位時間あたりの流量が、流量V1から流量V2に再び上昇する。チャンバー65内は外部雰囲気と遮断されるべく設計されており、気流Gの短時間の流量低下では、半導体ウェハーWの周辺雰囲気における酸素濃度が問題となるレベルまで上昇することはない筈であるが、気流Gの流量低下を長時間継続すると、次第に半導体ウェハーWの周辺雰囲気における酸素濃度が上昇する可能性がある。気流Gの単位時間あたりの流量を再び上昇させるのは、このような酸素濃度の上昇を抑えるためである。
【0050】
その後、熱拡散板73および加熱プレート74がモータ40の駆動により図1に示す半導体ウェハーWの搬入・搬出位置まで下降する。熱拡散板73および加熱プレート74が下降しつつある時刻t6に、熱拡散板73に保持された半導体ウェハーWが支持ピン70上に再び受け渡され、アシスト加熱は終了する。
【0051】
さらに、ゲートバルブ68により閉鎖されていた開口部66が解放され、支持ピン70上に載置された半導体ウェハーWが図示しない搬送ロボットにより搬出されて、一連の熱処理動作が完了する。
【0052】
このように、本実施形態に係る熱処理では、時刻t0から時刻t6までの加熱期間において、閃光照射が開始される時刻t3の所定時間前の時刻t2から閃光照射が終了する時刻t4以後の時刻t5までの間に半導体ウェハーWの周辺に形成される気流Gの単位時間あたりの流量V1を、その前後の気流Gの単位時間あたりの流量V2よりも低くなるようにしている。このため、時刻t2から時刻t5までの間の、半導体ウェハーWに対する気流Gの冷却効果を低減させることができる。したがって、時刻t3から時刻t4までの間においては、半導体ウェハーW表面の温度勾配を緩和した状態で、閃光照射を行うことができる。
【0053】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではない。
【0054】
例えば、上述の実施形態では、時刻t2から時刻t5までの間において、半導体ウェハーWの周辺に形成する気流の単位時間あたりの流量を低下させる場合について説明したが、低下させる流量V1は低ければ低いほど、温度勾配を緩和する効果を良好に得ることができる。したがって、図5に示したように、時刻t2から時刻t5までの間において、半導体ウェハーWの周辺に形成する気流Gを停止させる形態であればより好ましい。
【0055】
また、時刻t2から時刻t5までの間の気流Gを停止させる場合においては、流量調節手段として流量調節弁80ではなく開閉弁81を使用し、開閉弁81の開閉によって気流Gの流量を調節する形態であってもよい。
【0056】
また、上述の実施形態では、半導体ウェハーWの周辺に形成する気体を、流量V2と流量V1との2段階に調節する場合について説明したが、本発明は、このような2段階の流量調節に限定される訳ではない。例えば、時刻t2より前の気流Gの単位時間あたりの流量と時刻t5より後の気流Gの単位時間あたりの流量とが相違していてもよい。すなわち、t2からt5までの加熱期間の気流Gの単位時間あたりの流量がその前後の気流Gの単位時間あたりの流量と比較して、相対的に低くなるように流量を調節すれば、本発明の効果を得ることができる。
【0057】
また、上述の実施形態では、時刻t5において気流Gの単位時間あたりの流量を再び上昇させる形態について説明したが、酸素濃度の上昇をより確実に抑えるためには、時刻t5は時刻t4以後のなるべく早い時刻に設定することが望ましい。したがって、図6に示したように、時刻t4のフラッシュランプ69による閃光照射の終了と同時に気流Gの単位時間あたりの流量を再び上昇させる形態であればより好ましい。
【0058】
また、上述の実施形態では、アシスト加熱を加熱プレート74から供給されるエネルギーにより行う場合について説明したが、アシスト加熱はハロゲンランプ等のランプから継続的に照射される光のエネルギーにより行う形態であってもよい。
【0059】
また、上述の実施形態では、気流Gを構成する気体は、酸素濃度を低下させることを目的とする不活性ガスである場合について説明したが、他の目的を有する他の気体であってもよい。すなわち、熱処理を受ける半導体ウェハーWの周辺に何らかの必要性をもって気流が形成されている場合には、本発明を適用することができる。
【0060】
また、上述の実施形態では、処理対象となる基板が半導体ウェハーWである場合について説明したが、ガラス基板や、その他の有形の基板一般に対して、本発明を適用することが可能である。
【0061】
【発明の効果】
以上のように、請求項1から請求項6に記載の発明によれば、閃光照射が開始される時刻の所定時間前から閃光照射が終了する時刻またはその後の所定時刻までの間に基板の周辺に形成される気流による、基板の冷却効果を低減させることができるため、基板表面の温度勾配を緩和させた状態で閃光照射を行うことができる。
【0062】
特に、請求項2または請求項4に記載の発明によれば、基板表面の温度勾配を緩和する効果をより良好に得ることができる。
【0063】
特に、請求項3または請求項6に記載の発明によれば、基板の周辺雰囲気における酸素濃度を上昇させることなく、基板表面の温度勾配を緩和させる効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る熱処理装置の構成を示す側断面図である。
【図2】本発明に係る熱処理装置の構成を示す側断面図である。
【図3】熱拡散板73上に保持された半導体ウェハーW周辺の拡大側断面図である。
【図4】加熱期間における、半導体ウェハーWの表面温度変化の概略を示したグラフおよび気流Gの単位時間あたりの流量の変化を示したグラフである。
【図5】時刻t2から時刻t5までの間に半導体ウェハーWの周辺に形成する気流Gを停止させる形態における、気流Gの単位時間あたりの流量の変化を示したグラフである。
【図6】フラッシュランプ69による閃光照射の終了と同時に気流Gの単位時間あたりの流量を再び上昇させる形態における、気流Gの単位時間あたりの流量の変化を示したグラフである。
【図7】導入路78を含む部材の水平断面図である。
【符号の説明】
5 光源
10 制御手段
65 チャンバー
69 キセノンフラッシュランプ
70 支持ピン
73 熱拡散板
74 加熱プレート
78 導入路
79 排出路
80 流量調節弁
81 開閉弁
82 不活性ガス供給源
G 気流
T1 アシスト加熱温度
T2 処理温度
V1,V2 流量
W 半導体ウェハー
t0〜t6 時刻[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat treatment apparatus and a heat treatment method for performing flash irradiation while performing assist heating on a substrate in a state where an airflow is formed around a semiconductor wafer, a glass substrate or the like (hereinafter simply referred to as “substrate”). .
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in an ion activation process of a semiconductor wafer after ion implantation, a heat treatment apparatus such as a lamp annealing apparatus using a halogen lamp has been used. In such a heat treatment apparatus, the semiconductor wafer is ion-activated by heating (annealing) the semiconductor wafer to a temperature of about 1000 ° C. to 1100 ° C., for example. In such a heat treatment apparatus, the temperature of the substrate is raised at a rate of several hundred degrees per second by using the energy of light irradiated from the halogen lamp.
[0003]
However, even when ion activation of a semiconductor wafer is performed using a heat treatment apparatus that raises the temperature of the substrate at a speed of several hundred degrees per second, the profile of ions implanted into the semiconductor wafer is reduced, that is, due to heat It has been found that a phenomenon occurs in which ions diffuse. When such a phenomenon occurs, even if ions are implanted at a high concentration on the surface of the semiconductor wafer, the ions after implantation are diffused, so that ions must be implanted more than necessary. Has occurred.
[0004]
In order to solve the above-mentioned problems, flash irradiation is performed on the surface of the semiconductor wafer using a xenon flash lamp or the like, so that only the surface of the semiconductor wafer into which ions are implanted is raised in a very short time (several milliseconds or less). Techniques for heating have been proposed (see, for example,
[0005]
By the way, in the heat treatment in which the temperature of the semiconductor wafer is increased by performing flash irradiation in this way, the semiconductor wafer is assisted heated to a temperature (200 ° C. to 600 ° C.) at which implanted ions are not diffused. In some cases, flash irradiation may be performed thereon (see, for example, Patent Document 3). This is because it is difficult to raise the temperature of the surface of the semiconductor wafer to the temperature necessary for ion activation (about 1000 ° C. to 1100 ° C.) only with the energy of the flash light irradiated from the xenon flash lamp.
[0006]
In addition, in the heat treatment in which the temperature of the semiconductor wafer is increased by performing flash irradiation, there are cases where such assist heating or flash irradiation is performed in a state where an inert gas stream is formed around the semiconductor wafer (for example, And Patent Document 3). This is mainly to reduce the oxygen concentration in the atmosphere around the semiconductor wafer while receiving assist heating or flash irradiation.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 59-169125 A
[Patent Document 2]
JP 63-166219 A
[Patent Document 3]
JP 2003-173983 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such heat treatment, when assist heating is performed in a state where an airflow is formed around the semiconductor wafer, the surface of the semiconductor wafer is cooled by the airflow, and a temperature gradient is generated on the surface of the semiconductor wafer. Specifically, the portion located on the upstream side of the air flow on the surface of the semiconductor wafer is more strongly cooled than the portion located on the downstream side, and therefore tends to be relatively low in temperature.
[0009]
When the semiconductor wafer having a temperature gradient on the surface is irradiated with flash light in this way, the temperature reached by the semiconductor wafer due to flash irradiation becomes non-uniform, and the activation of the ions is activated in the semiconductor wafer. It becomes difficult to execute uniformly throughout.
[0010]
The present invention has been made in view of such problems, and in the heat treatment apparatus or heat treatment method for performing assist heating and flash irradiation on the substrate while forming an air flow around the substrate, the temperature of the substrate surface is provided. An object of the present invention is to provide a technique capable of performing flash irradiation in a state where the gradient is relaxed.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
[0012]
A second aspect of the present invention is the heat treatment apparatus according to the first aspect, wherein the control means performs a time when the flash irradiation ends or a predetermined time after the predetermined time before the time when the flash irradiation starts. The flow rate adjusting means is controlled so as to stop the airflow during the period up to.
[0013]
The invention according to
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a heat treatment method for treating a substrate, wherein an assist heating step for performing assist heating on the substrate within a predetermined heating period, and performing flash irradiation on the substrate during assist heating. A flash irradiation step, and an air flow formation step of forming an air flow around the substrate during the heating period, wherein the flash irradiation ends from a predetermined time before the start of the flash irradiation. The flow rate per unit time of the airflow between the time to be performed or a predetermined time thereafter is set lower than the flow rate per unit time of the airflow before and after the time.
[0015]
The invention according to
[0016]
The invention according to
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
1 and 2 are side sectional views showing the structure of a heat treatment apparatus according to the present invention. This heat treatment apparatus is an apparatus for performing heat treatment of a substrate such as a semiconductor wafer by flash light from a xenon flash lamp.
[0019]
This heat treatment apparatus includes a
[0020]
Further, an opening 66 for carrying in and out the semiconductor wafer W is formed in the
[0021]
Above the
[0022]
The
[0023]
A light diffusing plate (diffuser) 72 is disposed between the
[0024]
Part of the light emitted from the
[0025]
In the
[0026]
The
[0027]
The
[0028]
That is, the
[0029]
The loading / unloading position of the semiconductor wafer W shown in FIG. 1 is placed on the
[0030]
On the other hand, the heat treatment position of the semiconductor wafer W shown in FIG. 2 is a position where the
[0031]
In a state where the
[0032]
Further, between the
[0033]
An
[0034]
On the other hand, a
[0035]
FIG. 3 is an enlarged side sectional view of the periphery of the semiconductor wafer W held on the
[0036]
The control means 10 is electrically connected to the flow
[0037]
Next, the heat treatment operation of the semiconductor wafer W by the heat treatment apparatus having the above configuration will be described. A semiconductor wafer W to be processed in this heat treatment apparatus is a semiconductor wafer after ion implantation.
[0038]
FIG. 4A is a graph showing an outline of a change in the surface temperature of the semiconductor wafer W during a heating period (between time t1 and time t6) during which assist heating or flash irradiation is performed in the present embodiment. . However, there are times when the surface temperature of the semiconductor wafer W is not uniform between the time t1 and the time t6, but in the graph of FIG. 4A, the average surface temperature of the upper surface of the semiconductor wafer W at each time. Is shown. FIG. 4B is a graph showing a change in the flow rate per unit time of the airflow G formed around the semiconductor wafer W in the same manner from time t1 to time t6. Hereinafter, in addition to FIGS. 1 to 3, FIG. 4A and FIG. 4B will be described as needed.
[0039]
In this heat treatment apparatus, in a state in which the
[0040]
At this time, the
[0041]
Further, at least at time t0 when the semiconductor wafer W is held on the upper surface of the
[0042]
When the temperature of the semiconductor wafer W rises, it is always monitored whether or not the surface temperature of the semiconductor wafer W has reached the assist heating temperature T1 by a temperature sensor (not shown). The assist heating temperature T1 is, for example, a temperature of about 200 ° C. to 600 ° C., preferably about 350 ° C. to 550 ° C. Even if the semiconductor wafer W is heated to such an assist heating temperature T1, ions implanted into the semiconductor wafer W will not diffuse.
[0043]
The flow
[0044]
Here, the time from the time t2 to the time t3 (t3-t2) needs to be a time that can obtain an effect of relaxing the temperature gradient on the surface of the semiconductor wafer W. Specifically, the time gradient (t3-t2) can obtain a temperature gradient relaxation effect in 0.1 seconds or more, and if it is about 10 seconds, heat conduction in the
[0045]
After relaxing the temperature gradient on the surface of the semiconductor wafer W in this way, the
[0046]
By such flash irradiation, the surface temperature of the semiconductor wafer W instantaneously reaches the temperature T2. This temperature T2 is a temperature necessary for the ion activation treatment of the semiconductor wafer W at about 1000 ° C. to 1100 ° C. When the surface of the semiconductor wafer W is heated to such a processing temperature T2, ions implanted into the semiconductor wafer W are activated.
[0047]
At this time, since the surface temperature of the semiconductor wafer W is raised to the processing temperature T2 in an extremely short time of about 0.1 to 10 milliseconds, ion activation in the semiconductor wafer W is completed in a short time. . Therefore, the ions implanted into the semiconductor wafer W do not diffuse, and it is possible to prevent the phenomenon that the profile of the ions implanted into the semiconductor wafer W is lost. Since the time required for ion activation is extremely short compared with the time required for ion diffusion, the ion activation is performed even for a short time in which no diffusion of about 0.1 millisecond to 10 millisecond occurs. Complete.
[0048]
Further, before the semiconductor wafer W is heated by turning on the
[0049]
Then, at time t5 after time t4 when the flash irradiation by the
[0050]
Thereafter, the
[0051]
Further, the opening 66 closed by the
[0052]
Thus, in the heat treatment according to the present embodiment, in the heating period from time t0 to time t6, time t5 after time t4 when flash irradiation ends from time t2 a predetermined time before time t3 when flash irradiation starts. Until then, the flow rate V1 per unit time of the airflow G formed around the semiconductor wafer W is made lower than the flow rate V2 per unit time of the airflow G before and after that. For this reason, the cooling effect of the airflow G with respect to the semiconductor wafer W between the time t2 and the time t5 can be reduced. Therefore, from time t3 to time t4, flash irradiation can be performed with the temperature gradient on the surface of the semiconductor wafer W relaxed.
[0053]
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the above-mentioned example.
[0054]
For example, in the above-described embodiment, the case where the flow rate per unit time of the airflow formed around the semiconductor wafer W is reduced from the time t2 to the time t5 has been described. However, if the flow rate V1 to be reduced is low, the flow rate is low. Thus, the effect of relaxing the temperature gradient can be better obtained. Therefore, as shown in FIG. 5, it is more preferable that the airflow G formed around the semiconductor wafer W is stopped between the time t2 and the time t5.
[0055]
Further, when the air flow G from time t2 to time t5 is stopped, the on / off
[0056]
In the above-described embodiment, the case where the gas formed around the semiconductor wafer W is adjusted in two stages of the flow rate V2 and the flow rate V1 has been described. It is not limited. For example, the flow rate per unit time of the airflow G before the time t2 and the flow rate per unit time of the airflow G after the time t5 may be different. That is, if the flow rate is adjusted so that the flow rate per unit time of the air flow G during the heating period from t2 to t5 is relatively lower than the flow rate per unit time of the air flow G before and after that, the present invention. The effect of can be obtained.
[0057]
In the above-described embodiment, the mode in which the flow rate per unit time of the airflow G is increased again at the time t5 has been described. However, in order to more reliably suppress the increase in the oxygen concentration, the time t5 is preferably after the time t4. It is desirable to set the time earlier. Therefore, as shown in FIG. 6, it is more preferable if the flow rate per unit time of the airflow G is increased again at the same time as the end of the flash irradiation by the
[0058]
In the above-described embodiment, the case where the assist heating is performed by the energy supplied from the
[0059]
Moreover, although the gas which comprises the airflow G demonstrated in the above-mentioned embodiment the case where it was an inert gas aiming at reducing oxygen concentration, the other gas which has another objective may be sufficient. . That is, the present invention can be applied when an air flow is formed around the semiconductor wafer W to be heat-treated with some necessity.
[0060]
In the above-described embodiment, the case where the substrate to be processed is the semiconductor wafer W has been described. However, the present invention can be applied to a glass substrate and other tangible substrates in general.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the first to sixth aspects of the present invention, the periphery of the substrate between a predetermined time before the time when the flash irradiation starts and a time when the flash irradiation ends or after the predetermined time thereafter. Since the cooling effect of the substrate due to the airflow formed on the substrate can be reduced, flash irradiation can be performed with the temperature gradient of the substrate surface relaxed.
[0062]
In particular, according to the invention described in
[0063]
In particular, according to the invention described in
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view showing a configuration of a heat treatment apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a side sectional view showing a configuration of a heat treatment apparatus according to the present invention.
3 is an enlarged side sectional view of the periphery of a semiconductor wafer W held on a
4 is a graph showing an outline of a change in the surface temperature of the semiconductor wafer W and a change in the flow rate per unit time of the airflow G during the heating period. FIG.
FIG. 5 is a graph showing a change in the flow rate per unit time of the air flow G in a mode in which the air flow G formed around the semiconductor wafer W is stopped between the time t2 and the time t5.
FIG. 6 is a graph showing a change in the flow rate per unit time of the airflow G in the form in which the flow rate per unit time of the airflow G is increased again simultaneously with the end of flash irradiation by the
7 is a horizontal sectional view of a member including an
[Explanation of symbols]
5 Light source
10 Control means
65 chambers
69 Xenon flash lamp
70 Support pin
73 Heat diffusion plate
74 Heating plate
78 Introduction
79 Discharge path
80 Flow control valve
81 On-off valve
82 Inert gas source
G Airflow
T1 assist heating temperature
T2 processing temperature
V1, V2 flow rate
W Semiconductor wafer
t0 to t6 time
Claims (6)
基板に対するアシスト加熱を所定の加熱期間内に行うアシスト加熱手段と、
前記アシスト加熱中の基板に対して閃光照射を行う閃光照射手段と、
前記加熱期間において基板の周辺に気流を形成する気流形成手段と、
前記気流の流量を調節する流量調節手段と、
前記加熱期間のうち、前記閃光照射が開始される時刻の所定時間前から前記閃光照射が終了する時刻またはその後の所定時刻までの間の前記気流の単位時間あたりの流量が、その前後の前記気流の単位時間あたりの流量よりも低くなるように、前記流量調節手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする熱処理装置。A heat treatment apparatus for processing a substrate,
Assist heating means for performing assist heating on the substrate within a predetermined heating period;
Flash irradiation means for performing flash irradiation on the substrate during the assist heating,
Airflow forming means for forming an airflow around the substrate in the heating period;
Flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the air flow;
In the heating period, the flow rate per unit time of the air flow from a predetermined time before the time when the flash irradiation starts to the time when the flash irradiation ends or until a predetermined time thereafter is the air flow before and after the air flow. Control means for controlling the flow rate adjusting means so as to be lower than the flow rate per unit time,
A heat treatment apparatus comprising:
前記制御手段は、前記閃光照射が開始される時刻の所定時間前から前記閃光照射が終了する時刻またはその後の所定時刻までの間の前記気流を停止させるように、前記流量調節手段を制御することを特徴とする熱処理装置。The heat treatment apparatus according to claim 1,
The control means controls the flow rate adjusting means so as to stop the airflow from a predetermined time before the time when the flash irradiation starts to a time when the flash irradiation ends or until a predetermined time thereafter. A heat treatment apparatus characterized by
前記所定時間は、0.1秒以上10秒以下であることを特徴とする熱処理装置。The heat treatment apparatus according to claim 1 or 2,
The heat treatment apparatus characterized in that the predetermined time is not less than 0.1 seconds and not more than 10 seconds.
基板に対するアシスト加熱を所定の加熱期間内に行うアシスト加熱工程と、
前記アシスト加熱中の基板に対して閃光照射を行う閃光照射工程と、
前記加熱期間において基板の周辺に気流を形成する気流形成工程と、
を備え、
前記気流形成工程においては、前記閃光照射が開始される時刻の所定時間前から前記閃光照射が終了する時刻またはその後の所定時刻までの間の前記気流の単位時間あたりの流量を、その前後の前記気流の単位時間あたりの流量よりも低くすることを特徴とする熱処理方法。A heat treatment method for treating a substrate,
An assist heating step of performing assist heating on the substrate within a predetermined heating period;
A flash irradiation step of performing flash irradiation on the substrate during the assist heating;
An airflow forming step of forming an airflow around the substrate in the heating period;
With
In the airflow forming step, the flow rate per unit time of the airflow from the predetermined time before the time when the flash irradiation is started to the time when the flash irradiation is ended or until the predetermined time thereafter, The heat processing method characterized by making it lower than the flow volume per unit time of airflow.
前記気流形成工程においては、前記閃光照射が開始される時刻の所定時間前から前記閃光照射が終了する時刻またはその後の所定時刻までの間の前記気流を停止させることを特徴とする熱処理方法。The heat treatment method according to claim 4,
In the airflow forming step, the airflow is stopped from a predetermined time before the time when the flash irradiation is started to a time when the flash irradiation is ended or until a predetermined time thereafter.
前記所定時間は、0.1秒以上10秒以下であることを特徴とする熱処理方法。The heat treatment method according to claim 4 or 5,
The heat treatment method, wherein the predetermined time is 0.1 second or more and 10 seconds or less.
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JP2013207033A (en) * | 2012-03-28 | 2013-10-07 | Dainippon Screen Mfg Co Ltd | Heat treatment device and heat treatment method |
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