JP2005347704A - 熱処理装置、熱処理方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】結晶欠陥を抑制して熱処理することが可能な熱処理装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１を載置する基板ステージ３１と、基板ステージ３１に対向して配置され、半導体基板１の表面に０．１ｍ秒〜１００ｍ秒のパルス幅で光を照射する光源４０と、半導体基板１の外縁より内部に照射領域が設けられるように、外縁に沿った領域に照射される光を選択的に減光するマスク１０とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】半導体基板１を載置する基板ステージ３１と、基板ステージ３１に対向して配置され、半導体基板１の表面に０．１ｍ秒〜１００ｍ秒のパルス幅で光を照射する光源４０と、半導体基板１の外縁より内部に照射領域が設けられるように、外縁に沿った領域に照射される光を選択的に減光するマスク１０とを備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体装置の熱処理方法に関し、特に高輝度光源を用いる熱処理装置、熱処理方法及び半導体装置の製造方法に関する。
大規模集積回路（ＬＳＩ）等の半導体装置の性能向上は、集積度を高めること、即ち半導体装置を構成する素子の微細化により実現できる。このため、ＬＳＩはますます大規模化し、金属・酸化膜・半導体（ＭＯＳ）トランジスタ等の素子の微細化もさらに勢いを増して進んできている。素子が微細化されるに伴い、ＭＯＳトランジスタ等の寄生抵抗及びショートチャネル効果は大きくなる。そのため、低抵抗層及び浅いｐｎ接合の形成はその重要性を増してきている。
例えば、２０ｎｍ以下の浅いｐｎ接合を形成するためには、まず、浅い不純物添加領域を形成する。浅い不純物添加領域の形成には、低加速エネルギで不純物を半導体基板にイオン注入する方法がある。半導体基板に添加された不純物を熱処理により活性化して、浅い不純物拡散領域が形成される。不純物拡散領域の拡散層抵抗を下げるためには、不純物の活性化熱処理を高温で行うことが必要である。
しかし、不純物としてイオン注入されたボロン（Ｂ）等のｐ型不純物、及びリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等のｎ型不純物は、半導体基板のシリコン（Ｓｉ）結晶中での拡散係数が大きい。現行のハロゲンランプを用いた急速熱処理（ＲＴＡ）で要する処理時間では、不純物が半導体基板の内方及び外方へ拡散してしまう。その結果、高濃度の不純物を有する浅い不純物拡散領域を半導体基板に形成することができない。また、不純物の拡散を抑制するために、ＲＴＡの熱処理温度を下げると、高濃度の不純物の活性化は望めない。このように、高濃度の不純物が活性化した低抵抗の浅い不純物拡散領域を半導体基板に形成することは困難である。
近年、ＲＴＡの問題を解決するために、不純物の活性化に必要な熱エネルギを瞬時に供給することができる、フラッシュランプやヤグ（ＹＡＧ）レーザ等のパルス光源を用いたパルス光アニール法が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。キセノン（Ｘｅ）フラッシュランプは、Ｘｅガスを封入した石英管を有し、コンデンサ等に蓄えられた電荷を管内で瞬時に放電させる。その結果、例えば数１００μｓ〜数１００ｍｓの時間の範囲で高輝度の白色光を発光させることが可能である。フラッシュランプ光を吸収した半導体基板は瞬時に発熱し、不純物の活性化に必要な熱エネルギを瞬時に得ることができる。したがって、フラッシュランプアニール法では、半導体基板に注入された不純物の濃度プロファイルをほとんど変化させずに、高濃度の不純物を活性化することができる。
しかし、フラッシュランプアニール法により不純物を均一性良く高濃度に活性化させるためには、２０Ｊ／ｃｍ2以上の大きな照射エネルギが必要となる。そして、半導体基板表面には急激な温度上昇が生じる。その結果、半導体基板の表面側と裏面側との間に温度差が発生し、半導体基板内部では熱応力が増加する。熱応力により誘起されたスリップや転位等の結晶欠陥により半導体基板の破損が生じ易く、生産歩留りの低下を招く。このように、現状のフラッシュランプアニール法では、半導体基板に発生する結晶欠陥を抑制して熱処理を行うことは困難である。
米国特許第４１５１００８号明細書
本発明は、半導体基板に発生する結晶欠陥を抑制して熱処理を行うことが可能な熱処理装置、熱処理方法及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様によれば、（イ）半導体基板を載置する基板ステージと、（ロ）基板ステージに対向して配置され、半導体基板の表面に０．１ｍ秒〜１００ｍ秒のパルス幅で光を照射する光源と、（ハ）半導体基板の外縁より内部に照射領域が設けられるように、外縁に沿った領域に照射される光を選択的に減光するマスクとを備える熱処理装置が提供される。
本発明の第２の態様によれば、（イ）処理室の基板ステージに搭載された半導体基板を３００℃以上、且つ６００℃以下の温度に加熱し、（ロ）半導体基板の外縁に沿った領域に照射される光を選択的に減光することにより外縁より領域分内部に照射領域を設け、半導体基板の表面を０．１ｍ秒〜１００ｍ秒のパルス幅の光で照射することを含む熱処理方法が提供される。
本発明の第３の態様によれば、（イ）半導体基板を第１の工程で処理し、（ロ）半導体基板を処理室の基板ステージに搭載して、半導体基板を３００℃以上、且つ６００℃以下の温度に加熱し、（ハ）半導体基板の外縁に沿った領域に照射される光を選択的に減光することにより外縁より領域分内部に照射領域を設け、半導体基板の表面を０．１ｍ秒〜１００ｍ秒のパルス幅の光で照射し、（ニ）半導体基板を第２の工程で処理することを含む半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、半導体基板に発生する結晶欠陥を抑制して熱処理を行うことが可能な熱処理装置、熱処理方法及び半導体装置の製造方法を提供することができる。
以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
また、本発明の第１〜第３の実施の形態では、イオン注入された不純物の活性化熱処理工程を用いて説明する。注入する不純物は、例えばｎ型不純物としてはＰあるいはＡｓが、ｐ型不純物としてはＢが用いられる。しかし、本発明の第１〜第３の実施の形態に係る熱処理工程は、不純物活性化熱処理工程に限定されない。例えば、酸化膜、窒化膜等の絶縁膜形成や損傷層等の再結晶化等の熱処理工程に適用できることは勿論である。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る熱処理装置は、図１に示すように、処理室３０と、ガス供給系３５と、光源４０と、制御システム２０とを備えている。処理室３０には、ガス供給系３５に接続された導入配管３６、及び排気配管３７が設けられている。処理室３０の上部には、透明窓３８が光源４０に対向して配置されている。処理室３０内の底部には、半導体基板１を載置する基板ステージ３１が配置されている。処理室３０内に、透明窓３８及び半導体基板１の間に設置されるマスク１０を載置するマスクステージ３３が配置されている。基板ステージ３１及びマスクステージ３３のそれぞれは、基板ステージ移動機構３２及びマスクステージ移動機構３４に接続されている。また、光源４０には電源３９が接続されている。更に、基板ステージ３１、基板ステージ移動機構３２、マスクステージ移動機構３４、ガス供給系３５、及び電源３９のそれぞれは、制御システム２０に接続されている。
本発明の第１の実施の形態に係る熱処理装置は、図１に示すように、処理室３０と、ガス供給系３５と、光源４０と、制御システム２０とを備えている。処理室３０には、ガス供給系３５に接続された導入配管３６、及び排気配管３７が設けられている。処理室３０の上部には、透明窓３８が光源４０に対向して配置されている。処理室３０内の底部には、半導体基板１を載置する基板ステージ３１が配置されている。処理室３０内に、透明窓３８及び半導体基板１の間に設置されるマスク１０を載置するマスクステージ３３が配置されている。基板ステージ３１及びマスクステージ３３のそれぞれは、基板ステージ移動機構３２及びマスクステージ移動機構３４に接続されている。また、光源４０には電源３９が接続されている。更に、基板ステージ３１、基板ステージ移動機構３２、マスクステージ移動機構３４、ガス供給系３５、及び電源３９のそれぞれは、制御システム２０に接続されている。
Ｓｉ等の半導体基板１に注入された不純物を活性化するための熱処理を行う処理室３０は、例えばステンレススチール等の金属製である。基板ステージ３１には、ステンレススチール、アルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）、セラミックスあるいは石英等が用いられる。基板ステージ３１の内部には、半導体基板１を予備加熱する加熱源４１が設けられている。加熱源４１としては、ニクロム線等の埋め込み金属ヒータや加熱ランプ等が用いられる。予備加熱は、制御システム２０により温度制御される。
基板ステージ移動機構３２は、透明窓３８に対向する平面内で基板ステージ３１を移動させることができる。マスクステージ移動機構３４は、透明窓３８に対向する平面内でマスクステージ３３を移動させることができる。基板ステージ移動機構３２及びマスクステージ移動機構３４のそれぞれは、制御システム２０により制御される。
半導体基板１の熱処理時には、ガス供給系３５から導入配管３６を通して、窒素（Ｎ2）、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガス等が処理室３０に導入される。処理室３０に導入された不活性ガスは、排気配管３７から排気される。不活性ガスの流量は、制御システム２０により制御される。
フラッシュランプ等の光源４０は、合成石英等の透明窓３８を介して、半導体基板１表面をパルス状に光照射して加熱する。パルス電源等の電源３９は、光源４０を約０．１ｍ秒〜１００ｍ秒の極短パルス幅で駆動する。電源３９は、制御システム２０により、光源４０の出射光のパルス幅及び照射エネルギを制御する。光源４０の照射エネルギ密度は、例えば１５Ｊ／ｃｍ2から４０Ｊ／ｃｍ2の範囲、望ましくは２０Ｊ／ｃｍ2から３４Ｊ／ｃｍ2の範囲である。なお、透明窓３８は、半導体基板１を照射する光源４０の出射光を透過させると共に、処理室３０を光源４０から隔離して気密保持の働きもする。
光源４０に用いられるＸｅフラッシュランプによる加熱では、図２に示すように、例えば最高到達温度が約１３００℃で、半値幅が約１ｍ秒の温度プロファイルが得られる。Ｘｅフラッシュランプでは、ＲＴＡで使用されるハロゲンランプ等の赤外線ランプに比べて急峻な温度上昇と温度降下が実現できる。例えば、ハロゲンランプ光では、４５０℃〜１３００℃間の昇降温時間は１０秒以上、例えば約１５秒である。その上、９００℃〜１３００℃の１００℃間の昇／降温時間が２〜３秒必要である。一方、フラッシュランプ光では、４５０℃〜１３００℃間の昇降温時間は、０．１ｍ秒〜１００ｍ秒、望ましくは０．５ｍ秒〜５０ｍ秒の間である。なお、半導体基板１の表面温度は、高速パイロメータにより測定している。
イオン注入された不純物の活性化熱処理において、昇／降温時間が０．１ｍ秒未満では、最高到達温度が９００℃未満となり、半導体基板１に注入された不純物の活性化が不十分となる。また、昇／降温時間が１００ｍ秒を越えると、到達温度が１４００℃を越えてしまう。半導体基板１が１４００℃を越えて加熱されると、注入された不純物の拡散が顕著となる。その結果、半導体基板１に注入された不純物の拡散のために、半導体基板１の表面近傍に浅いｐｎ接合を形成することが困難となる。
また、活性化熱処理では、基板ステージ３１に載置された半導体基板１は、加熱源４１により、例えば３００〜６００℃、望ましくは４００〜５００℃の範囲で予備加熱されている。予備加熱時間は、例えば１０秒〜１２０秒程度が望ましい。予備加熱は、半導体基板１にダメージが誘起されない温度と時間に設定されている。予備加熱温度が３００℃より低いと、最高到達温度が９００℃未満となる場合がある。また、予備加熱温度が６００℃を越えると、到達温度が１４００℃より高くなる場合がある。
第１の実施の形態に係る熱処理装置では、図２に示したように、４５０℃〜１３００℃間の昇降温時間は、約３ｍ秒である。また、９００℃〜１３００℃の間の昇／降温時間は、例えば約１ｍ秒である。第１の実施の形態によれば、半導体基板１に注入された不純物の活性化熱処理を、例えば９００℃以上の高温で極短時間で実施することができる。したがって、活性化熱処理による不純物の拡散長を５ｎｍ以下に抑制して、浅いｐｎ接合の形成が可能になる。
しかし、９００℃以上の高温で極短時間の昇／降温サイクルでは、半導体基板１に熱応力によるスリップや転位等の結晶欠陥が発生し易い。更に、光源４０のＸｅフラッシュランプの発光スペクトルは白色光に近く、図３に示すように、主な強度ピーク波長は、４００ｎｍ〜５００ｎｍである。フラッシュランプ光の強度ピークを含む波長の範囲、例えば１μｍ以下の範囲の光は、半導体基板１表面から約０．１μｍの深さの範囲の領域で吸収される。半導体基板１表面から数１０μｍの深さの範囲の領域では局所的に急激な温度上昇が生じる。その結果、半導体基板１の表面側と裏面側との間に約３００℃から１０００℃の温度差が発生し、半導体基板１内部では熱応力が増加する。一般に、半導体基板１の外縁領域は機械的強度が弱い。例えば、半導体基板１の裏面側からの３００℃から６００℃程度の加熱源４１による予備加熱においても半導体基板１の外縁に反りが観察される。半導体基板１内部での熱応力の増加により、特に半導体基板１の外縁領域で結晶欠陥の発生が著しい。熱応力に起因する結晶欠陥により半導体基板１にダメージが発生し、半導体基板１が破損してしまう。このように、光源４０による極短時間の加熱処理では、熱応力で発生するダメージのため半導体基板１の割れ耐性が不十分である。
第１の実施の形態に係る熱処理装置のマスク１０には、図４に示すように、中央部に半導体基板１の直径より４ｍｍ以上、例えば８ｍｍ小さい直径の開口部１２が設けられている。マスク１０は、半導体基板１の外縁から外縁領域幅Ｗｏが４ｍｍの範囲の外縁領域において、図１に示した光源４０からのフラッシュランプ光を選択的に遮断するように配置されている。また、外縁領域幅Ｗｏは、半導体基板１の外縁の一部に設けられた結晶方位を示すノッチ２の切り込み幅Ｗｎよりも大きくしてある。マスク１０としては、波長が１μｍ以下の範囲の光を遮断する、例えばアルミニウム（Ａｌ）等の金属やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等のような材料が用いられる。光源４０から出射されるフラッシュランプ光は、マスク１０の開口部１２を通して開口部１２に対応する半導体基板１表面の照射領域に達する。半導体基板１の外縁領域は、マスク１０でフラッシュランプ光が遮断されて直接加熱されない。
第１の実施の形態に係る処理装置によるイオン注入不純物の活性化熱処理では、図５に示すように、ダメージの発生を抑制し所望の活性化率を達成するために、半導体基板１の予備加熱温度に依存するフラッシュランプ光の照射エネルギ密度の熱処理条件領域が与えられる。即ち、フラッシュランプ光の照射エネルギ密度が熱処理条件領域の下限以下では不純物の活性化が不十分となり、低抵抗層を形成することができない。照射エネルギ密度が熱処理条件領域の上限以上では半導体基板１にダメージが発生してしまう。例えば、フラッシュランプ光の照射エネルギ密度の熱処理条件領域は、半導体基板１の６００℃及び３００℃の予備加熱温度に対し、それぞれ約１８Ｊ／ｃｍ2から２７Ｊ／ｃｍ2及び約２６Ｊ／ｃｍ2から３６Ｊ／ｃｍ2で与えられる。また、予備加熱温度が４５０℃の近傍では、照射エネルギ密度の熱処理条件領域が約２０Ｊ／ｃｍ2から３４Ｊ／ｃｍ2で与えられる。
比較例として、図１に示した熱処理装置のマスク１０を取り除いて通常の活性化熱処理が実施されている。比較例においては、半導体基板１の外縁領域を遮光するマスク１０を用いていないため、半導体基板１の外縁を含む全領域がフラッシュランプ光で加熱される。その結果、半導体基板１の外縁領域での熱応力起因のダメージにより半導体基板１の破損が生じる。比較例では、図６に示すように、熱処理条件領域の下限は第１の実施の形態に係る熱処理条件領域の下限とほぼ同様である。しかし、比較例の熱処理条件領域の上限は第１の実施の形態に係る熱処理条件領域の上限と比べ照射エネルギ密度が７Ｊ／ｃｍ2以上減少している。このように、熱処理条件領域が１／２以下に縮小している。
第１の実施の形態に係る熱処理装置では、マスク１０を用いている。半導体基板１の外縁から外縁領域幅Ｗｏの範囲の外縁領域においては、マスク１０によりフラッシュランプ光が遮断されて直接加熱されない。したがって、半導体基板１の外縁から外縁領域幅Ｗｏの領域に生じる結晶欠陥が抑制され、半導体基板１の割れ耐性が向上する。
次に、第１の実施の形態に係る熱処理方法及び半導体装置の製造方法を、ｐＭＯＳトランジスタの製造工程を例にして説明する。なお、半導体装置としては、ｐＭＯＳトランジスタに限定されない。例えば、ｎＭＯＳトランジスタや相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）トランジスタ等であってもよい。また、酸化（ＳｉＯ2）膜に代えて、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）膜等の絶縁膜や、ＳｉＯ2膜と、ＳｉＯＮ膜、Ｓｉ3Ｎ4膜、及び各種の金属酸化膜等との複合絶縁膜を用いた金属・絶縁膜・半導体（ＭＩＳ）トランジスタであってもよいことは勿論である。
（イ）まず、図７に示すように、ｐ型Ｓｉ等の半導体基板１にｎ型不純物のV族原子、例えばＡｓをイオン注入し、ｎウェル層３が形成される。ｎウェル層３の周囲に、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法等を用いてトレンチが形成される。設けられたトレンチに、例えば減圧気相成長（ＬＰＣＶＤ）法によりＳｉＯ2等の絶縁膜が堆積して埋め込まれる。その後、化学機械研磨（ＣＭＰ）法等により半導体基板１のｎウェル層３表面に堆積した絶縁膜を除去し、素子分離領域４が形成される。素子分離領域４の間に素子領域が形成される。
（ロ）半導体基板１の素子領域表面に、例えば熱酸化膜等の絶縁膜が形成される。絶縁膜上に、例えばＬＰＣＶＤ法により多結晶Ｓｉ（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜が堆積される。フォトリソグラフィ及びＲＩＥ法によりｐｏｌｙ−Ｓｉ膜及び絶縁膜の一部を選択的に除去し、図８に示すように、ゲート電極６及びゲート絶縁膜５が形成される。
（ハ）ゲート電極６をマスクとして、活性層イオン注入工程（第１の工程）が実施される。半導体基板１が露出した表面にイオン注入法により、ｐ型不純物となるIII族元素、例えばＢが注入される。Ｂのイオン注入の条件は、例えば、加速エネルギが０．２ｋｅＶで、ドーズ量が１×１０15ｃｍ-2である。その結果、ゲート絶縁膜５の両端及び素子分離領域４の間に、図９に示すように、半導体基板１の表面から約１５ｎｍの深さの不純物注入層７が形成される。
（ニ）半導体基板１を、図１に示した熱処理装置の基板ステージ３１に載置する。活性化熱処理では、基板ステージ３１の加熱源４１により半導体基板１が裏面側から、例えば４５０℃で予備加熱される。半導体基板１を４５０℃の予備加熱温度で維持しながら、光源４０のフラッシュランプ光がマスク１０を介して半導体基板１の表面側から、例えばパルス幅が１ｍｓ及び照射エネルギ密度が３０Ｊ／ｃｍ2の条件で照射される。活性化熱処理により、不純物注入層７に注入されたＢが格子位置に置換して取り込まれ、活性化する。その結果、図１０に示すように、ゲート絶縁膜５の両端及び素子分離領域４の間にｐ型の活性層８が形成される。
（ホ）引き続き、層間絶縁膜形成工程（第２の工程）で、半導体基板１の表面に、例えばＳｉＯ2膜等の層間絶縁膜を堆積する。そして、ゲート電極６、及びソース／ドレイン領域に対応するｐ型の活性層８の上の層間絶縁膜に、コンタクトホールがそれぞれ開口される。それぞれのコンタクトホールを介してゲート電極６、及びｐ型の活性層８に配線が接続される。このようにして、半導体装置が製造される。
第１の実施の形態に係る熱処理方法では、イオン注入の過程で形成された不純物注入層７に注入された不純物は、所望の活性化率を達成するのに十分な照射エネルギ密度で活性化熱処理される。また、活性化熱処理では、マスク１０を用いることにより半導体基板１の外縁から外縁領域幅Ｗｏの領域においてフラッシュランプ光が遮断されて直接加熱されない。その結果、半導体基板１に発生する結晶欠陥を抑制して、浅いｐｎ接合を形成することが可能となる。このように、第１の実施の形態によれば、半導体基板１の割れ耐性を向上させ、半導体装置の製造を高歩留りで行うことが可能となる。
上記の説明では、半導体基板１の外縁から４ｍｍの外縁領域幅Ｗｏの外縁領域をマスク１０により選択的に遮光するように開口部１２が設けられている。しかし、マスク１０の外縁領域幅Ｗｏは、４ｍｍに限定されない。外縁領域幅Ｗｏとしては、半導体基板１の外縁から約２ｍｍから１０ｍｍの範囲であればよい。外縁領域幅Ｗｏが２ｍｍ未満では、ノッチ２の切り込み幅Ｗｎと同程度になり、ノッチ２近傍でダメージの発生が大きくなり易い。また、外縁領域幅Ｗｏを１０ｍｍより広くすると、半導体基板１の割れ耐性は向上するが、照射領域が狭く限定されてしまう。その結果、半導体基板１の面内に配置可能な半導体装置のチップ数が限定され、歩留りに影響する。
また、第１の実施の形態に係る熱処理装置において、マスク１０は、図１に示したように、透明窓３８及び半導体基板１の間に配置されている。しかし、マスク１０の位置は、光源４０及び半導体基板１の間であればよいことは勿論である。例えば、図１１に示すように、光源４０及び透明窓３８の間にマスク１０を配置してもよい。
また、上記の説明では、マスク１０に遮光膜を用いている。しかし、マスク１０の材質は、遮光膜に限定されない。例えば、マスク１０として、光源４０の出射光のピーク波長を含む成分、例えば波長が１μｍ以下の光を吸収、反射、及び散乱等により２０％以上減光する材質であれば、同様の効果を与えることが確認されている。減光材質としては、例えば減光（ＮＤ）フィルタ等が使用可能である。また、クロム（Ｃｒ）等の金属や酸化クロム（ＣｒＯ）等の金属化合物等の遮光膜は、５００ｎｍ以下の厚さで堆積すると光透過率を調整することが可能となる。減光材質として、合成石英等の透明基板上に形成した遮光膜をパターニングすればよい。また、減光材質として、ｐｏｌｙ−Ｓｉ等の光吸収膜を用いてもよい。更に、減光材質に代えて、透明基板の表面を擦りガラス状にして光透過率を調整してもよい。例えば、図１に示した透明窓３８の一部表面領域を擦りガラス加工して、波長が１μｍ以下の光を２０％以上散乱させるようにすればよい。この場合、図１２に示すように、透明窓３８ａの表面に、半導体基板１の直径よりも約４ｍｍから２０ｍｍ小さい直径の透光部１３８及び透光部１３８の周囲に擦りガラス状のマスク１００が設けられる。
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る熱処理装置では、図１３に示すように、マスク１１０が半導体基板１表面上の外縁領域に設けられている。図１に示したマスク１０の代わりに、光源４０からのフラッシュランプ光は、マスク１１０が形成された半導体基板１の全面に照射される。マスク１１０が形成される外縁領域の幅Ｗｏは、図１４に示すように、ノッチ２の切り込み幅Ｗｎよりも広く設けられている。マスク１１０としては、Ａｌ、銀（Ａｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、及びアンチモン（Ｓｂ）等の反射率の高い金属膜や、減光材質等の光透過率が８０％以下の材料が使用できる。マスク１１０により、半導体基板１の外縁領域では、フラッシュランプ光が選択的に遮断、あるいは２０%以上減光される。したがって、半導体基板１に発生するダメージを抑制することができ、半導体基板１の割れ耐性を向上させることが可能となる。第２の実施の形態では、半導体基板１の表面上に形成されたマスク１１０により、光源４０からのフラッシュランプ光を選択的に減光あるいは遮断している点が第１の実施の形態と異なる。他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので、重複した説明は省略する。
本発明の第２の実施の形態に係る熱処理装置では、図１３に示すように、マスク１１０が半導体基板１表面上の外縁領域に設けられている。図１に示したマスク１０の代わりに、光源４０からのフラッシュランプ光は、マスク１１０が形成された半導体基板１の全面に照射される。マスク１１０が形成される外縁領域の幅Ｗｏは、図１４に示すように、ノッチ２の切り込み幅Ｗｎよりも広く設けられている。マスク１１０としては、Ａｌ、銀（Ａｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、及びアンチモン（Ｓｂ）等の反射率の高い金属膜や、減光材質等の光透過率が８０％以下の材料が使用できる。マスク１１０により、半導体基板１の外縁領域では、フラッシュランプ光が選択的に遮断、あるいは２０%以上減光される。したがって、半導体基板１に発生するダメージを抑制することができ、半導体基板１の割れ耐性を向上させることが可能となる。第２の実施の形態では、半導体基板１の表面上に形成されたマスク１１０により、光源４０からのフラッシュランプ光を選択的に減光あるいは遮断している点が第１の実施の形態と異なる。他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので、重複した説明は省略する。
マスク１１０として、図１５に示すように、半導体基板１上のＳｉＯ2等の絶縁膜１１３を緩衝材として、ｐｏｌｙ−Ｓｉ等のような光吸収膜１１４が堆積された多層膜を用いて説明する。膜厚がそれぞれ約３００ｎｍのＳｉＯ2膜及びｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を有する多層膜では、下地の半導体基板１への熱エネルギ到達量を半分に削減できる。例えば、絶縁膜１１３及び光吸収膜１１４の膜厚を、それぞれ３００ｎｍとして堆積した多層膜のマスク１１０を、半導体基板１の外縁から約３ｍｍの外縁領域幅Ｗｏで形成する。ノッチ２での外縁領域幅Ｗｏｎは、例えば、約１ｍｍである。
半導体基板１の外縁領域に形成されたマスク１１０では、図１６に示すように、照射エネルギ密度の熱処理条件領域が与えられる。第２の実施の形態に係る熱処理条件領域の下限は、図６に示した比較例の熱処理条件領域の下限とほぼ同様である。しかし、熱処理条件領域の上限は、半導体基板１の６００℃から３００℃の予備加熱温度に対し、約２４Ｊ／ｃｍ2から３４Ｊ／ｃｍ2と、比較例より高い。このように、第２の実施の形態に係る熱処理方法によれば、半導体基板１の割れ耐性を向上させることが可能となる。
また、半導体基板１の熱処理温度の面内均一性は、半導体基板１の照射領域が半導体装置が形成されるチップ領域より広いほど向上する。第２の実施の形態では、複数の半導体基板１に製造される異なる半導体装置毎に照射領域を規定する外縁領域にマスク１１０を形成することができる。したがって、第２の実施の形態によれば、熱処理温度の面内均一性を劣化させずに熱処理することが可能となる。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る熱処理装置では、図１７に示すように、マスク１０ａがマスクステージ３３に載置されている。マスク１０ａには、図１８に示すように、開口幅ＷＡの矩形状の開口部１２ａが設けられている。マスク１０ａとしては、Ａｌ等の金属やＳｉＣ等のように、波長が１μｍ以下の範囲の光を遮断する材料が用いられる。マスク１０ａは、開口部１２ａに対応する照射領域が半導体基板１の外縁の内部に位置するように配置される。半導体基板１の外縁領域はフラッシュランプ光が照射されない。その結果、半導体基板１のダメージの発生を抑制することができ、半導体基板１の割れ耐性の向上が可能となる。第３の実施の形態に係る熱処理装置では、矩形状の開口部１２ａを有するマスク１０ａを用いる点が、第１の実施の形態と異なる。他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので、重複した説明は省略する。
本発明の第３の実施の形態に係る熱処理装置では、図１７に示すように、マスク１０ａがマスクステージ３３に載置されている。マスク１０ａには、図１８に示すように、開口幅ＷＡの矩形状の開口部１２ａが設けられている。マスク１０ａとしては、Ａｌ等の金属やＳｉＣ等のように、波長が１μｍ以下の範囲の光を遮断する材料が用いられる。マスク１０ａは、開口部１２ａに対応する照射領域が半導体基板１の外縁の内部に位置するように配置される。半導体基板１の外縁領域はフラッシュランプ光が照射されない。その結果、半導体基板１のダメージの発生を抑制することができ、半導体基板１の割れ耐性の向上が可能となる。第３の実施の形態に係る熱処理装置では、矩形状の開口部１２ａを有するマスク１０ａを用いる点が、第１の実施の形態と異なる。他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので、重複した説明は省略する。
例えば、直径が２００ｍｍのＳｉ等の半導体基板１にイオン注入した不純物が、図１７の熱処理装置を用いて活性化熱処理される。半導体基板１のダメージ発生に対するマスク１０ａの開口部１２ａの開口幅ＷＡと熱処理条件との関係を図１９及び図２０に示す。図１９及び図２０より、開口幅ＷＡが小さくなるほど、照射エネルギ密度及び予備加熱温度に関する半導体基板１のダメージ耐性が向上する。
フラッシュランプ光では、半導体基板１表面から数１０μｍの深さの表面層のみが局所的に加熱される。そのため、半導体基板１の表面側と裏面側とで３００℃から１０００℃にも及ぶ急峻な温度差が発生する。例えば、直径が２００ｍｍのＳｉ半導体基板１を全面照射して、表面層を１３００℃に加熱する。Ｓｉ結晶の熱膨張率は約３×１０-6Ｋ-1であるため、加熱された表面層のＳｉ結晶は表面に平行な方向に約１ｍｍ膨張する。半導体基板１表面での照射領域を限定しない全面照射方法では、加熱される表面層及び非加熱の裏面層間のＳｉ結晶の熱膨張の差が大きくなる。その結果、熱応力が増加し、Ｓｉ結晶の脆性破壊臨界点を超えて半導体基板１が破損してしまう。
一方、第３の実施の形態に係るマスク１０ａを用いると、半導体基板１の表面での照射領域は、開口部１２ａの開口幅ＷＡとほぼ同様になる。例えば、開口部１２ａの開口幅ＷＡを２０ｍｍとしてＳｉ半導体基板１表面での照射領域を限定すれば、加熱された表面層のＳｉ結晶の熱膨張は約０．１ｍｍまで抑制できる。このようにして、半導体基板１へ与える熱応力は減少する。その結果、ダメージ耐性の向上に繋がり、半導体基板１の破損が防止できる。このように、第３の実施の形態によれば、スリップや転位等の結晶欠陥の発生を抑制して、半導体装置の製造が実現できる。
第３の実施の形態では、マスク１０ａの開口部１２ａにより半導体基板１の表面の照射領域が限定されている。半導体基板１の全照射領域を走査するため、図１７に示した制御システム２０により基板ステージ移動機構３２が制御されて、基板ステージ３１が逐次移動させられる。逐次移動の毎に、光源４０のフラッシュランプ光を照射する。このように、半導体基板１の全照射領域で熱処理が行われる。なお、半導体基板１の全照射領域の走査には、基板ステージ３１を逐次移動している。しかし、制御システム２０によりマスクステージ移動機構３４を制御してマスクステージ３３に載置されたマスク１０ａを逐次移動してもよいことは勿論である。
例えば、半導体基板１上に、図２１に示すように、半導体装置の複数のチップ領域５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、・・・、５１ｄが設けられる。チップ領域５１ａ〜５１ｄは、例えば２０ｍｍ×２０ｍｍである。複数のチップ領域５１ａ〜５１ｄのそれぞれに、例えばｐ型不純物のＢが、０．５ｋｅＶの加速エネルギ、及び １×１０15ｃｍ-2のドーズ量でイオン注入される。その後、半導体基板１は図１７に示した熱処理装置の基板ステージ３１に載置される。マスク１０ａの開口部１２ａの開口幅ＷＡは、チップ領域５１ａ〜５１ｄと同様に２０ｍｍ×２０ｍｍである。
活性化熱処理工程は、制御システム２０により制御される。まず、加熱源４１により半導体基板１が４５０℃に予備加熱される。基板ステージ移動機構３２により基板ステージが逐次移動され、開口部１２ａを介して各チップ領域５１ａ〜５１ｄが光源４０のフラッシュランプ光で加熱される。光源４０のフラッシュランプ光の照射エネルギ密度は２４Ｊ／ｃｍ2で、パルス幅は１ｍ秒である。活性化熱処理後、チップ領域５１ａ〜５１ｄのそれぞれで、電気的特性の測定が行われる。例えば、シート抵抗の半導体基板１の面内均一性が評価される。第３の実施の形態に係る熱処理方法では、シート抵抗の半導体基板１の面内分布の標準偏差σは、約１％である。
比較例として、第３の実施の形態と同一注入条件でイオン注入された半導体基板の複数のチップ領域に対し、マスク１０ａ無しの状態で光源４０のフラッシュランプ光の一括全面照射により活性化熱処理が実施されている。活性化熱処理条件も、第３の実施の形態と同一にしてある。比較例のシート抵抗の面内分布の標準偏差σは約５％である。
光源４０は、図２２に示すように、基板ステージ３１と対向する平面内に配列された管状の複数のランプエレメント１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃ、・・・、１４１ｄ及び複数のランプエレメント１４１ａ〜１４１ｄを収納したランプハウジング１４０を有している。なお、図２２では、光源４０及び基板ステージ３１以外の熱処理装置の構成部材は図示を省略している。直径が２００ｍｍ、あるいは３００ｍｍ等の大面積を有する半導体基板１に対して、フラッシュランプ光の一括照射で熱処理を行う場合、半導体基板１の照射領域は、直上及び周辺に配置された複数のランプエレメント１４１ａ〜１４１ｄから入射するフラッシュランプ光で加熱される。半導体基板１の中央側の方が半導体基板１の外縁側に比べ、実質的な照射エネルギ密度が高くなる。即ち、一括照射の場合、光源４０のランプエレメント１４１ａ〜１４１ｄの形状及び配置等の幾何学的要因により、照射エネルギ密度が変動を受けやすい。
また、マスク１０ａ無しの一括照射において、照射エネルギ密度を２７Ｊ／ｃｍ2まで上げると、シート抵抗の面内分布の標準偏差σが約２％まで向上する。照射エネルギ密度を上げることで、半導体基板１の外縁側のＢの活性化率が上昇することに加え、半導体基板１の中央側ではＢの活性化率が飽和し始めることに起因している。更に、面内均一性を向上させるため、照射エネルギ密度を３０Ｊ／ｃｍ2近くまで上げると、半導体基板１にスリップが発生する。また、照射エネルギ密度が３０Ｊ／ｃｍ2以上では、半導体基板１が破損してしまう。このように、フラッシュランプ光の一括照射方法では、照射エネルギ密度の熱処理条件領域が狭いため、熱処理条件の調整では、面内均一性の改善は不十分となる。
第３の実施の形態では、マスク１０ａの開口部１２ａを介して照射エネルギ密度が供給されている。したがって、光源４０の幾何学的要因による照射エネルギ密度のばらつきを緩和することができる。このように、光源４０からの照射エネルギ密度のばらつきを抑制することができ、熱処理工程の安定性や工程歩留りの向上が可能となる。
例えば、図２１に示したチップ領域５１ａ〜５１ｄは、製造する半導体装置によって異なる。照射領域を半導体基板１上に設けられたチップ領域に合わせるため、図２３に示すようなマスク１０ｂを用いてもよい。マスク１０ｂでは、遮光材質のＬ字型の可動部１１ａ及び１１ｂを組み合わせて開口部１２ｂが設けられる。開口部１２ｂの開口幅ＷＡｖは可動部１１ａ、１１ｂを調整することにより可変となる。このように、マスク１０ｂにより、任意のチップ領域に合わせて照射領域を設定することにより、熱処理工程の高効率化が実現できる。
また、マスク１０ｃでは、図２４に示すように、遮光材質の矩形状の可動部１１ｃ及び１１ｄが離間して開口部１２ｃを設けている。開口幅ＷＡｖは可動部１１ｃ、１１ｄを調整することにより可変である。マスク１０ｃでは、照射領域は、例えば一方向に配列されたチップ領域となる。マスク１０ｃでは、半導体基板１の外縁が照射領域に含まれるため、例えば第１及び第２の実施の形態で例示したマスク１０、１１０等を併用することが望ましい。
また、図２５に示すように、遮光膜のマスク１０ｄに複数の開口部１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、・・・、１１２ｄを設けてもよい。複数の開口部１１２ａ〜１１２ｄは、例えば図２１に示した複数のチップ領域５１ａ〜５１ｄに対応させておく。開口部１１２ａ〜１１２ｄの間の遮光膜は、チップ領域５１ａ〜５１ｄの間のダイシングラインに対応させてある。複数の開口部１１２ａ〜１１２ｄを介して、半導体基板１上の複数のチップ領域５１ａ〜５１ｄを一度にフラッシュランプ光で照射することができる。
また、マスクを用いずに、図２２に示した光源４０の複数のランプエレメント１４１ａ〜１４１ｄを図１７の制御システム２０で制御して順次照射することにより、照射領域を走査してもよい。各ランプエレメント１４１ａ〜１４１ｄの照射領域には、半導体基板１の外縁が含まれるため、例えば第１及び第２の実施の形態で例示したマスク１０、１１０等を併用することが望ましい。
更に、図２６に示すように、マスクを用いずに、必要な照射領域をカバーするだけの小型の光源４０ａを用いることができる。なお、図２６では、光源４０ａ及び基板ステージ以外の熱処理装置の構成部材は図示を省略している。光源４０ａでは、ランプエレメント及び放電用コンデンサを含む電源３９の小型軽量化が可能となる。小型の光源４０ａを用いる場合には、光源４０ａを図示省略した光源移動機構により移動し、照射領域を走査すればよい。
（第３の実施の形態の変形例）
本発明の第３の実施の形態の変形例では、図１７に示した熱処理装置により熱処理を行う際に、照射領域毎に熱処理条件が調整される。例えば、図２１に示したチップ領域５１ａ〜５１ｄのそれぞれに対応して照射領域が限定されるマスク１０ａが用いられる。予め測定されたシート抵抗の面内分布の傾向に基づいて、熱処理条件が調整される。したがって、シート抵抗の面内分布を抑制することができ、均一性のよい電気的特性を有する半導体装置の製造が可能となる。第３の実施の形態の変形例は、照射領域毎に熱処理条件を調整する点が第３の実施の形態と異なる。他の構成は同様であるので、重複した説明は省略する。
本発明の第３の実施の形態の変形例では、図１７に示した熱処理装置により熱処理を行う際に、照射領域毎に熱処理条件が調整される。例えば、図２１に示したチップ領域５１ａ〜５１ｄのそれぞれに対応して照射領域が限定されるマスク１０ａが用いられる。予め測定されたシート抵抗の面内分布の傾向に基づいて、熱処理条件が調整される。したがって、シート抵抗の面内分布を抑制することができ、均一性のよい電気的特性を有する半導体装置の製造が可能となる。第３の実施の形態の変形例は、照射領域毎に熱処理条件を調整する点が第３の実施の形態と異なる。他の構成は同様であるので、重複した説明は省略する。
例えば、図２１に示した半導体基板１の複数のチップ領域５１ａ〜５１ｄのそれぞれに、ｐ型不純物のＢが、０．５ｋｅＶの加速エネルギ、及び １×１０15ｃｍ-2のドーズ量でイオン注入される。その後、半導体基板１は図１７に示した熱処理装置の基板ステージ３１に載置される。チップ領域５１ａ〜５１ｄ及びマスク１０ａの開口部１２ａの開口幅ＷＡは、２０ｍｍ×２０ｍｍである。
加熱源４１により半導体基板１が４５０℃に予備加熱される。基板ステージ移動機構３２により基板ステージが逐次移動され、開口部１２ａを介して各チップ領域５１ａ〜５１ｄが照射領域とされて、光源４０のフラッシュランプ光で加熱される。光源４０のフラッシュランプ光のパルス幅は１ｍ秒である。半導体基板１の中央側の照射領域に対して、フラッシュランプ光の照射エネルギ密度は２４Ｊ／ｃｍ2である。一方、半導体基板１の外縁側の照射領域に対しては、フラッシュランプ光の照射エネルギ密度は２６Ｊ／ｃｍ2である。活性化熱処理後、チップ領域５１ａ〜５１ｄのそれぞれで、電気的特性の測定が行われ、シート抵抗の半導体基板１の面内均一性が評価される。第３の実施の形態の変形例に係る熱処理方法では、シート抵抗の半導体基板１の面内分布の標準偏差σは、約０．６％と減少している。
一般に、半導体基板１の外縁近傍では熱が逃げやすく、加熱効率が低下してしまう。しかし、第３の実施の形態の変形例では、必要に応じて照射領域毎に照射エネルギ密度を補正することができるため、熱処理温度の面内均一性の向上が可能となる。したがって、半導体装置の電気的特性のばらつきを抑制して、熱処理工程の歩留りを向上させることができる。
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
本発明の第１〜第３の実施の形態においては、図１の光源４０としてＸｅフラッシュランプをもちいている。しかし、光源４０はＸｅフラッシュランプに限定されるものではなく、例えば、他の希ガス、水銀、及び水素等を用いたフラッシュランプ、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザ、一酸化炭素ガス（ＣＯ）レーザ、及び二酸化炭素（ＣＯ2）レーザ等のレーザ、あるいはＸｅアーク放電ランプ等のような高輝度発光が可能な光源であってもよいことは勿論である。また、フラッシュランプとして、複数のランプエレメントを有する構造で説明している。しかし、フラッシュランプの構造は限定されない。例えば、シングルエンド型のフラッシュランプであってもよいことは勿論である。
このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。
１ 半導体基板
１０、１０ａ〜１０ｄ、１００、１１０ マスク
１２、１２ａ〜１２ｃ、１１２ａ〜１１２ｄ 開口部
２０ 制御システム
３０ 処理室
３１ 基板ステージ
３２ 基板ステージ移動機構
３３ マスクステージ
３４ マスクステージ移動機構
３８、３８ａ 透明窓
３９ 電源
４０、４０ａ 光源
４１ 加熱源
１１３ 絶縁膜
１１４ 光吸収膜
１０、１０ａ〜１０ｄ、１００、１１０ マスク
１２、１２ａ〜１２ｃ、１１２ａ〜１１２ｄ 開口部
２０ 制御システム
３０ 処理室
３１ 基板ステージ
３２ 基板ステージ移動機構
３３ マスクステージ
３４ マスクステージ移動機構
３８、３８ａ 透明窓
３９ 電源
４０、４０ａ 光源
４１ 加熱源
１１３ 絶縁膜
１１４ 光吸収膜
Claims (7)
- 半導体基板を載置する基板ステージと、
前記基板ステージに対向して配置され、前記半導体基板の表面に０．１ｍ秒〜１００ｍ秒のパルス幅で光を照射する光源と、
前記半導体基板の外縁より内部に照射領域が設けられるように、前記外縁に沿った領域に照射される前記光を選択的に減光するマスク
とを備えることを特徴とする熱処理装置。 - 前記マスクが、前記光のピーク波長を含む成分に対して０．２以上の減光率を有することを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
- 処理室の基板ステージに搭載された半導体基板を３００℃以上、且つ６００℃以下の温度に加熱し、
前記半導体基板の外縁に沿った領域に照射される光を選択的に減光することにより前記外縁より前記領域分内部に照射領域を設け、前記半導体基板の表面を０．１ｍ秒〜１００ｍ秒のパルス幅の前記光で照射する
ことを含むことを特徴とする熱処理方法。 - 前記領域が、前記光のピーク波長を含む成分に対して０．２以上の比率で減光されることを特徴とする請求項３に記載の熱処理方法。
- 前記領域が、前記基板ステージ及び前記光を照射する光源の間に設けられたマスクにより減光されることを特徴とする請求項３又は４に記載の熱処理方法。
- 前記領域の表面に、前記光を減光するマスクが形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の熱処理方法。
- 半導体基板を第１の工程で処理し、
前記半導体基板を処理室の基板ステージに搭載して、前記半導体基板を３００℃以上、且つ６００℃以下の温度に加熱し、
前記半導体基板の外縁に沿った領域に照射される光を選択的に減光することにより前記外縁より前記領域分内部に照射領域を設け、前記半導体基板の表面を０．１ｍ秒〜１００ｍ秒のパルス幅の前記光で照射し、
前記半導体基板を第２の工程で処理する
ことを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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