JP2005167005A - 半導体基板の熱処理方法、半導体装置の製造方法、及び熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 不純物の濃度プロファイルを動かすことなく、且つ、基板の機械的強度を低下させることなく、注入不純物を活性化させる。
【解決手段】 シリコン基板２上にゲート絶縁膜８を形成し、ゲート絶縁膜８上にゲート電極１０を形成し、エクステンション領域１４を形成する。ゲート電極１０の側壁にサイドウォール１６を形成した後、このサイドウォール１６及びゲート電極１０をマスクとして不純物を注入する。その後、予備加熱ランプ３１を用いてシリコン基板２の表面から基板表層のみを予備加熱した後、フラッシュランプ３２を用いてシリコン基板２の極表層を加熱することにより、注入不純物を活性化させ、ソース／ドレイン領域１８を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に不純物注入後に行われる半導体基板の熱処理方法及び熱処理を行う熱処理装置に関する。

ＬＳＩの微細化を実現するためには、ソース／ドレイン領域などの不純物拡散領域やゲート絶縁膜直下のチャネル領域などの機能領域を形成する際に、イオン注入およびその後の熱処理を最適化する必要がある。
例えば、ソース／ドレイン領域に求められる、不純物濃度が濃く、その分布が浅く、かつそれら不純物の活性化率が高いという要求を満たすため、低加速のイオン注入技術と共に、高温かつ短時間の熱処理技術が求められる。従来、この短時間熱処理を行うために、Ｗ(タングステン)ハロゲンランプを熱源とするＲＴＡ(Rapid Thermal Annealing)装置や、レーザを用いたアニール装置が使用されてきた。
しかし、上記ＲＴＡ装置は昇降温速度が遅く、かつ、基板に加える熱量が大きいため、ゲート長が１００ｎｍ以下の微細なＬＳＩでは、注入した不純物の拡散が起こってしまい、必要な深さのＰＮ接合を形成できないという問題があった。一方、レーザを用いたアニール装置では、レーザに対する吸収係数が大きい材料からなるパターンが揮発してしまうという問題があった。

これらの問題を解決するため、ＷランプのＲＴＡよりさらに急峻な昇降温度特性を有し、レーザよりもシリコンへの加熱分布や強度制御に優れるＸｅ(キセノン)などのガスプラズマによるフラッシュランプを熱源としたフラッシュランプアニール装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−７６３３号公報（第３頁、図１）

しかしながら、従来のフラッシュランプアニール装置では、ホットプレート等の加熱部を用いた抵抗加熱法や、ハロゲンランプ等を用いたランプ加熱法により、基板裏面方向から基板の予備加熱を行っていた。このため、フラッシュランプ点灯前に、基板全体が予備加熱されていた。例えば、予備加熱温度が４００℃以上になると基板の機械的強度が低下し、予備加熱後のフラッシュランプ点灯により結晶欠陥やウエハ割れが発生してしまうという問題があった。さらに、抵抗加熱法により予備加熱する場合には、基板裏面と加熱部とが接触しないと面内温度分布が均一にならないため、基板に反りなどがあると面内温度分布が不均一になってしまい、ウエハ割れが更に発生しやすくなるという問題があった。
また、３００ｍｍ以上のウエハの大口径化が進むと、前述した非常に急速な昇降温熱処理の繰り返しにより発生する熱ストレスは、結晶欠陥やウエハ割れの原因となり、デバイス特性やチップ歩留まりに大きく影響する。

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、不純物の濃度プロファイルを動かすことなく、且つ、基板の機械的強度を低下させることなく、注入不純物を活性化させることを目的とする。

本発明に係る半導体基板の熱処理方法は、予備加熱ランプを１秒以下の時間点灯させて、不純物が注入された半導体基板を予備加熱する工程と、
フラッシュランプを０．０１秒以下の時間点灯させて、前記予備加熱された半導体基板を加熱する工程と、
を含むことを特徴とするものである。

本発明に係る半導体基板の熱処理方法は、予備加熱ランプを点灯させて、不純物が注入された半導体基板の表層のみを予備加熱する工程と、
フラッシュランプを点灯させて、前記予備加熱された半導体基板の表層のうち、前記半導体基板の表面に近い極表層のみを加熱する工程と、
を含むことを特徴とするものである。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板内に不純物を注入する工程と、
前記不純物を注入した後、予備加熱ランプを１秒以下の時間点灯させて、前記半導体基板を予備加熱する工程と、
フラッシュランプを０．０１秒以下の時間点灯させて、前記予備加熱された半導体基板を加熱して前記注入された不純物を活性化させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板内に不純物を注入する工程と、
前記不純物を注入した後、予備加熱ランプを点灯させて、前記半導体基板の表層のみを予備加熱する工程と、
フラッシュランプを点灯させて、前記予備加熱された半導体基板の表層のうち、前記半導体基板の表面に近い極表層のみを加熱して前記注入された不純物を活性化させる工程と、
を含むことを特徴とするものである。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記予備加熱ランプにより前記半導体基板の表面から基板深さ方向に４μｍ以内の領域を予備加熱し、前記フラッシュランプにより前記半導体基板の表面から基板深さ方向に２μｍ以内の領域を加熱することが好適である。

本発明に係る熱処理装置は、半導体基板の熱処理を行う熱処理装置であって、
処理室内に前記半導体基板を保持する保持部と、
前記保持された半導体基板の表面と対向して配置され、前記半導体基板の表層を予備加熱するための予備加熱ランプと、
前記保持された半導体基板の表面と対向して配置され、前記予備加熱された半導体基板の極表層を加熱するためのフラッシュランプと、
を備えたことを特徴とするものである。

本発明に係る熱処理装置において、前記保持部は、前記処理室内に前記半導体基板を垂直に保持し、
前記予備加熱ランプ及び前記フラッシュランプは、前記垂直に保持された半導体基板の表面と対向して配置されたことが好適である。

本発明に係る熱処理装置において、前記予備加熱ランプ及び前記フラッシュランプに対して複数の半導体基板の表面がそれぞれ対向するように、該複数の半導体基板を前記処理室内に保持することが好適である。

本発明は以上説明したように、基板表層のみを加熱することにより、不純物の濃度プロファイルを動かすことなく、且つ、基板の機械的強度を低下させることなく、注入不純物を活性化させることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。詳細には、ＭＯＳトランジスタの形成方法を説明する断面図である。
先ず、図１（ａ）に示すように、半導体基板としての導電型のシリコン基板２内に、不純物の注入及び熱処理によりウェル領域４を形成する。ここで、不純物は、所望の導電型の不純物拡散層を形成するために注入されるＩｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｂ等である（後述するエクステンション領域１４及びソース／ドレイン領域１８の形成についても同様）。そして、シリコン基板２の素子分離領域に、ＳＴＩ（shallow trench isolation）法により素子分離構造６を形成する。

次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板２上にゲート絶縁膜８を形成する。ここで、ゲート絶縁膜８としては、シリコン酸化膜若しくはシリコン酸窒化膜、又は金属酸化物膜や金属シリケート膜のような高誘電体膜、又はそれらの積層膜を用いることができる。
そして、ゲート絶縁膜８上に、ポリシリコン膜からなるゲート電極１０を形成する。ゲート電極１０の材料としては、ポリシリコン膜以外に、タングステンやシリコンゲルマニウム膜のような金属膜、タングステンシリサイドのような金属シリサイド膜、又はそれらの積層膜を用いることができる。
その後、ゲート電極１０の側壁にシリコン酸化膜１２を熱酸化法により形成する。さらに、ゲート電極１０をマスクとしてシリコン基板２内に不純物を低濃度で注入し、熱処理による不純物の活性化を行う。これにより、ゲート絶縁膜８直下のチャネル領域を挟んでエクステンション領域１４が形成される。

次に、図１（ｃ）に示すように、シリコン基板２全体にシリコン窒化膜を形成した後、該シリコン窒化膜を異方性ドライエッチングする。これにより、ゲート電極１０の側壁にシリコン窒化膜からなるサイドウォール１６が形成される。なお、シリコン酸化膜１２によりゲート電極１０とサイドウォール１６との密着性が高くなる。

次に、図１（ｄ）に示すように、ゲート電極１０及びサイドウォール１６をマスクとしてシリコン基板２内に不純物を高濃度且つ所望のプロファイルで注入する。そして、以下に詳述するように、予備加熱ランプ３１とフラッシュランプ３２とを有するランプユニット３０を用いてシリコン基板２の熱処理を行うことにより、シリコン基板２内に注入された不純物を活性化させる。
先ず、予備加熱ランプ３１を点灯させてランプ光を照射し、シリコン基板２の表層のみを１５０℃〜７５０℃程度の温度に予備加熱する。ここで、シリコン基板２の表層とは、シリコン基板２の表面から基板深さ方向に４μｍ以内の領域をいう。予備加熱ランプ３１の点灯時間は、半値幅で１秒以下の短時間とすることが好適である。通常のＲＴＰ（Rapid Thermal Process）用ランプでは、半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）で１秒以下の点灯は難しい。上記シリコン基板２の表層が所定の温度に達すると、予備加熱ランプ３１を消灯する。
予備加熱ランプ３１の点灯中若しくは消灯直後に、フラッシュランプ３２を点灯させてランプ光を照射し、予備加熱されたシリコン基板２の表層のうち、シリコン基板２表面に近い極表層のみを７５０℃〜１３５０℃程度の温度に加熱する。予備加熱ランプ３１消灯直後にフラッシュランプ３２を点灯させる場合、予備加熱された基板温度が低下する前にフラッシュランプ３２を点灯させる。ここで、シリコン基板２の極表層とは、シリコン基板２の表面から基板深さ方向に２μｍ以内の領域をいう。フラッシュランプ３２の点灯時間は、半値幅で０．０１秒以下の極短時間とすることが好適である。基板表面温度が上昇してから降温するまでに５．０ｍｓｅｃ程度要するためである。
なお、予備加熱ランプ３１により予備加熱される領域と、フラッシュランプ３２により加熱される領域とが一致してもよい。シリコン基板２周囲をヘリウム、アルゴン、窒素、酸素等の雰囲気にした後に、予備加熱ランプ３１を点灯させてもよい。また、１Ｐａ以下の減圧状態で、熱処理を行ってもよい。
また、ランプユニット３０とシリコン基板２との間に光学フィルタを配置して、熱処理を行ってもよい。
図２は、不純物活性時における半導体基板の温度分布を示す概念図である。図２に示すように、予備加熱ランプ３１によりシリコン基板２の表層２１が予備加熱され、フラッシュランプ３２によりシリコン基板２の極表層２２が加熱されている。予備加熱ランプ３１による加熱領域である基板表層２１と、フラッシュランプ３２による加熱領域である基板極表層２２については、上述した通りである。このように、不純物活性時にシリコン基板２全体が加熱されず、シリコン基板２の素子形成面領域の表面近傍のみが急速に加熱（その後、冷却）される。
上述した熱処理により、図１（ｄ）に示すように、エクステンション１４と接続するソース／ドレイン領域１８が形成される。

以上説明したように、本実施の形態１では、不純物注入後にシリコン基板２を熱処理する際、予備加熱ランプ３１によりシリコン基板２の表面から基板表層のみを予備加熱した後、フラッシュランプ３２によりシリコン基板２の極表層を加熱するようにした。よって、不純物の濃度プロファイルを動かすことなく、且つ、基板の機械的強度を低下させることなく、注入不純物を活性化させることができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
なお、ランプ３１，３２を用いた熱処理は、ソース／ドレイン領域１８形成以外に、ウェル領域４やエクステンション領域１４の形成にも適用することができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２による熱処理装置を説明するための図である。図３に示す熱処理装置は、前述した実施の形態１における熱処理を行うための装置である。
図３に示すように、処理室３３内に、クリップ等の保持部３４によりシリコン基板２が水平に保持されている。シリコン基板２の表面と対向して予備加熱ランプ３１とフラッシュランプ３２とを有するランプユニット３０が水平に配置されている。

図４は、図３に示したランプユニットにおける予備加熱ランプとフラッシュランプの配置状態を示す平面図である。図４（ａ）に示すように、ランプユニット３０において棒状の予備加熱ランプ３１と棒状のフラッシュランプ３２とを交互に（縞状に）配置してもよく、図４（ｂ）に示すように、ランプユニット３０において予備加熱ランプ３１とフラッシュランプ３２とを格子状に配置してもよい。また、図示しないが、予備加熱ランプ３１とフラッシュランプ３２を蜂の巣状に配置してもよい。すなわち、ランプユニット３０において、２種類のランプ３１，３２が規則的に配置されている。
なお、ランプユニット３０は必ずしも処理室３３内に配置する必要はなく、処理室３３の壁面でランプ光が照射される部分に光透過性を持たせておけば（例えば、石英ガラス窓を設ける等の方法によって）、処理室３３の外部に配置してもよい。

フラッシュランプ３２としては、発光波長が紫外領域であり、かつ、波長の広がりが１μｍ以下であるインコヒーレントな光を発するフラッシュランプであって、例えば、キセノンランプ、キセノン−水銀ランプ、クリプトンランプ、クリプトン−水銀ランプ、キセノン−クリプトンランプ、キセノン−クリプトン−水銀ランプ、メタルハイドライドランプ等を用いることができる。また、予備加熱ランプ３１としては、上記フラッシュランプ３２として用いられるランプや、発光波長が赤外領域にあるハロゲンランプを用いることができる。予備加熱ランプ３１とフラッシュランプ３２とが例えばキセノンランプである場合には、フラッシュランプ３２よりも予備加熱ランプ３１の照射エネルギーを小さくすることが好適である。
また、処理室３３の対向する壁面には、ヘリウム、アルゴン、窒素、酸素等の雰囲気ガスを処理室３３内に導入するガス導入部３５と、該雰囲気ガスを処理室３３から排出するガス排出部３６とが設けられている。また、ガス排出部３６により、処理室３３内を１Ｐａ以下の減圧状態にすることができる。

本実施の形態２による熱処理装置は、予備加熱ランプ３１がシリコン基板２の表面側に配置されている。すなわち、ランプユニット３０とシリコン基板２表面とが対向配置されている。このため、予備加熱ランプ３１を用いてシリコン基板２表面からシリコン基板２の予備加熱を行うことができる。よって、シリコン基板２全体を予備加熱する必要がないため、基板の機械的強度の低下を抑制することができ、ウェハ割れの発生を防止することができる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３による熱処理装置を説明するための図である。図５に示す熱処理装置は、前述した実施の形態１における熱処理を行うための装置である。
図５に示すように、本実施の形態３においては、シリコン基板２を垂直に保持するようにし、さらにシリコン基板２の表面と対向するようにランプユニット３０が垂直に配置されている。なお、ランプユニット３０内の予備加熱ランプ３１及びフラッシュランプ３２並びにそれらの配置については実施の形態２と同様であるので説明を省略する。
また、処理室３３の上面にはガス導入部３５が設けられ、該上面と対向する処理室底面にはガス排気部３６が設けられている。なお、ガス導入部３５及びガス排気部３６は、処理室３３の対向する壁面に設けてもよい。

本実施の形態３による熱処理装置においても、ランプユニット３０とシリコン基板２表面とが対向配置されているため、シリコン基板２の予備加熱を基板表面から行うことができる。よって、シリコン基板２全体を予備加熱する必要がないため、基板の機械的強度の低下を抑制することができ、ウェハ割れの発生を防止することができる。
さらに、本実施の形態３による熱処理装置では、シリコン基板２を垂直に保持した状態で、熱処理を行っている。これにより、シリコン基板２の自重によるシリコン基板２裏面へのストレスを緩和することができ、基板の機械的強度の低下を更に抑制することができる。

次に、実施の形態３の変形例について説明する。
図６は、本発明の実施の形態３の変形例を説明するための断面図である。
図６に示すように、本変形例は、上述した実施の形態３において、複数のシリコン基板２を垂直に保持し、各シリコン基板２の表面がランプユニット３０に対向するようにした。図６は、ランプユニット３０を介して２枚のシリコン基板２をその表面が対向するように配置した状態を示している。３枚以上のシリコン基板３を配置する場合には、ランプユニット３０におけるランプ３１，３２の配置を蜂の巣状にすればよい。このようにランプユニット３０を処理室３３の中心に配置し、その周辺にシリコン基板２を垂直保持することにより、ランプユニット３０の周囲のスペースを有効活用することができる。

本変形例によれば、実施の形態３で得られた効果に加え、複数枚のシリコン基板２の熱処理を同時に行うことができるためスループットが向上するという効果が得られる。

本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。 不純物活性時における半導体基板の温度分布を示す概念図である。 本発明の実施の形態２による熱処理装置を説明するための断面図である。 図３に示したランプユニットにおける予備加熱ランプとフラッシュランプの配置状態を示す平面図である。 本発明の実施の形態３による熱処理装置を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３の変形例を説明するための断面図である。

符号の説明

２ 半導体基板（シリコン基板）
４ ウェル領域
６ 素子分離
８ ゲート絶縁膜
１０ ゲート電極
１２ シリコン酸化膜
１４ エクステンション領域
１６ サイドウォール
１８ ソース／ドレイン領域
２１ 表層
２２ 極表層
３０ ランプユニット
３１ 予備加熱ランプ
３２ フラッシュランプ
３３ 処理室
３４ 保持部
３５ ガス導入部
３６ ガス排出部

Claims (8)

1. 予備加熱ランプを１秒以下の時間点灯させて、不純物が注入された半導体基板を予備加熱する工程と、
   フラッシュランプを０．０１秒以下の時間点灯させて、前記予備加熱された半導体基板を加熱する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体基板の熱処理方法。
2. 予備加熱ランプを点灯させて、不純物が注入された半導体基板の表層のみを予備加熱する工程と、
   フラッシュランプを点灯させて、前記予備加熱された半導体基板の表層のうち、前記半導体基板の表面に近い極表層のみを加熱する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体基板の熱処理方法。
3. 半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
   前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
   前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板内に不純物を注入する工程と、
   前記不純物を注入した後、予備加熱ランプを１秒以下の時間点灯させて、前記半導体基板を予備加熱する工程と、
   フラッシュランプを０．０１秒以下の時間点灯させて、前記予備加熱された半導体基板を加熱して前記注入された不純物を活性化させる工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
   前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
   前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板内に不純物を注入する工程と、
   前記不純物を注入した後、予備加熱ランプを点灯させて、前記半導体基板の表層のみを予備加熱する工程と、
   フラッシュランプを点灯させて、前記予備加熱された半導体基板の表層のうち、前記半導体基板の表面に近い極表層のみを加熱して前記注入された不純物を活性化させる工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記予備加熱ランプにより前記半導体基板の表面から基板深さ方向に４μｍ以内の領域を予備加熱し、
   前記フラッシュランプにより前記半導体基板の表面から基板深さ方向に２μｍ以内の領域を加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 半導体基板の熱処理を行う熱処理装置であって、
   処理室内に前記半導体基板を保持する保持部と、
   前記保持された半導体基板の表面と対向して配置され、前記半導体基板の表層を予備加熱するための予備加熱ランプと、
   前記保持された半導体基板の表面と対向して配置され、前記予備加熱された半導体基板の極表層を加熱するためのフラッシュランプと、
   を備えたことを特徴とする熱処理装置。
7. 請求項６に記載の熱処理装置において、
   前記保持部は、前記処理室内に前記半導体基板を垂直に保持し、
   前記予備加熱ランプ及び前記フラッシュランプは、前記垂直に保持された半導体基板の表面と対向して配置されたことを特徴とする熱処理装置。
8. 請求項７に記載の熱処理装置において、
   前記予備加熱ランプ及び前記フラッシュランプに対して複数の半導体基板の表面がそれぞれ対向するように、該複数の半導体基板を前記処理室内に保持することを特徴とする熱処理装置。
   

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