JP2007318171A

JP2007318171A - 半導体基板を熱処理する方法および半導体基板の熱処理装置

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Publication number: JP2007318171A
Application number: JP2007204537A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Tatsuta; 田真一立; Takeshi Nishioka; 岡岳西; Masatoshi Hirono; 野方敏廣; Kyoichi Suguro; 黒恭一須; Takayuki Ito; 藤貴之伊
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2007-08-06
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】半導体基板に温度むらやホットスポットを生じさせることなく、不純物拡散層を充分に活性化させ、かつ、不純物拡散層を所望のプロファイルにすることができる熱処理方法および熱処理装置を提供する。
【解決手段】半導体基板を熱処理する方法は、半導体基板２０５に注入された不純物を活性化させるために光源１００を用いて該半導体基板を熱処理する方法であって、屈折率ｎ−ｉｋの実部ｎが０．５から２．２であり、かつ、その虚部ｋが１．０以下である材料からなり、光源からの光エネルギーを吸収し、この光エネルギーを熱エネルギーに変換する光吸収膜２５０を、半導体基板の表面上に形成する光吸収膜形成ステップと、光源から光吸収膜へ光エネルギーを放射し、不純物を活性化させる熱処理ステップとを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体基板を熱処理する方法および半導体基板の熱処理装置に関する。

ＬＳＩ（Large-Scale Integration）の性能を向上させるために、ＬＳＩの高集積化が従来から求められている。そのために、半導体基板内に形成されるトランジスタや抵抗等に用いられる不純物拡散層を浅く形成することが望まれる。例えば、トランジスタのソース・ドレイン拡散層に用いられるＬＤＤ（Lightly Diffused Drain）は、短チャネル効果を回避するために浅い拡散層として形成される必要がある。

一方、このような浅い拡散層であっても充分な導電性を得るためには、不純物を活性化させなければならない。従って、半導体基板の熱処理工程は、このような浅い拡散層を形成する際に不可欠である。

このような浅い不純物拡散層を形成する熱処理方法としては、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal）、レーザアニールおよびフラッシュランプアニールが代表的である。

米国特許６，３８８，２９７号米国特許６，３６５，４７６号米国特許６，４９５，３９０号特開２０００−１３８１７７号公報 T.Ito et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol.41, pp2394-2398, April 2002.)

ＲＴＡは、１０００℃で１０秒ほどの加熱により半導体基板を熱処理する。ＲＴＡではこのような短時間の熱処理であっても、不純物は大きく拡散してしまう。そのため拡散層を所望のプロファイルに形成することは困難である。

レーザアニールは、不純物の活性化に必要なエネルギーをＲＴＡよりも短時間の間に供給することができる。しかし、レーザは指向性の良い光であるため、多光子過程や干渉が生じる。また、レーザ光の照射スポットは、半導体基板の面積よりも小さいので、レーザアニールでは半導体基板の表面全体を一時に熱処理することができない。従って、レーザアニールは半導体基板の表面にレーザ光を走査させつつ、半導体基板を部分ごとに熱処理する。その結果、レーザアニールでは半導体基板の表面を均一に熱処理することが困難である。これにより、半導体基板上のパターンに起因した温度むらが生じる。

また、レーザアニールは、適切に半導体基板をアニールするためのプロセスウインドウが小さく、レーザ光の強度の調整が難しい。例えば、半導体基板上に形成された層の数およびその材料によって、レーザ光の強度を変更する必要がある。

レーザ光の強度が高くなり過ぎると、レーザ光が半導体基板上に形成された層を溶かし、あるいは、これを蒸発させてしまう。このようなレーザアブレーションが生じることによって、活性化後の半導体基板の表面のモフォロジーが劣化する。

特許文献１から特許文献３は、レーザアニールのこれらの問題点をある程度解決する技術を開示している。しかし、これらの文献は、何れもレーザアニールの温度むらに関する問題を根本的に解決するものではない。

非特許文献１には、フラッシュランプを用いた熱処理技術が開示されている。この技術は、熱処理時間を１０ミリ秒以下に抑えることができる。さらに、この技術は、半導体基板の表面全体を一時に加熱することができる。しかしながら、半導体基板上の素子パターンの微細構造によってフラッシュランプからの光の屈折および干渉が生じる。この光の屈折および干渉は、数ナノメートルから数百ナノメートルの大きさのエネルギーの集中（いわゆる、ホットスポット）を引き起こす。ホットスポットは、膜種による熱応力の相違によって、半導体基板の割れ、半導体基板の結晶欠陥、膜はがれ、または、半導体基板の表面の部分的な溶融の要因となる。

そこで、本発明の目的は、温度むらやホットスポットを生じさせることなく、不純物拡散層を充分に活性化させ、かつ、所望のプロファイルにすることができる半導体基板の熱処理方法および半導体基板の熱処理装置を提供することである。

本発明に従った実施の形態による半導体基板の熱処理装置は、半導体基板に注入された不純物を活性化させるために該半導体基板を熱処理する半導体基板の熱処理装置であって、前記半導体基板へ光を放射し、前記半導体基板を熱処理する光源と、前記光源と前記半導体基板との間に設けられ、前記光源からの光エネルギーが前記半導体基板内において局所的に集中することを防止する光拡散板とを備えている。

本発明に従った実施の形態による半導体基板の熱処理装置は、半導体基板に注入された不純物を活性化させるために該半導体基板を熱処理する半導体基板の熱処理装置であって、前記半導体基板へ光を放射し、前記半導体基板を熱処理する光源と、前記光源と前記半導体基板との間に設けられ、前記光源からの光エネルギーを所定時間だけ通過させるシャッタとを備えている。

本発明による半導体基板の熱処理方法および熱処理装置は、半導体基板に温度むらやホットスポットを生じさせることなく、不純物拡散層を充分に活性化させ、かつ、不純物拡散層を所望のプロファイルにすることができる。

以下、図面を参照し、本発明による実施の形態を説明する。これらの実施の形態は本発明を限定するものではない。

本発明に係る実施の形態による熱処理方法は、半導体基板に注入された不純物を活性化させるためにフラッシュランプを光源として用い、尚且つ、半導体基板の表面上に光吸収膜を設ける。この光吸収膜は、屈折率ｎ−ｉｋの実部ｎが０．５から２．２であり、かつ、その虚部ｋが１．０以下である材料からなり、フラッシュランプからの光エネルギーを吸収しこの光エネルギーを熱エネルギーに変換する。これにより、半導体基板の表面を均一に加熱することができるので、不純物拡散層を充分に活性化させ、かつ、不純物拡散層を所望のプロファイルにすることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る第１の実施形態に従って被処理基板２００が熱処理される様子を示した図である。被処理基板２００は、半導体基板２０５、素子分離部２１０、ゲート電極２２０、サイドウォール２２５、不純物層２３０、保護膜２４０および光吸収膜２５０を備えている。

半導体基板２０５は、シリコン、ガラスまたはＧａＡｓなどから成る。素子分離部２１０は、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）またはＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)などであり、シリコン酸化物などの非導電性の材料から成る。ゲート電極２２０は、ポリシリコンシリコンなどから成る。サイドウォール２２５は、シリコン窒化膜などから成り、ゲート電極２２０の側壁を保護している。不純物層２３０はゲート電極２２０の両側の半導体基板２０５に自己整合的に注入されている。不純物層２３０内の不純物は、例えば、ボロン、リン、ヒ素などである。保護膜２４０は、半導体基板２０５の表面を被覆し、半導体基板２０５に形成された素子を保護している。

このように、被処理基板２００の表面には、素子を形成するために多種類の材料が用いられる。ポリシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜のほか、被処理基板２００の表面に用いられる材料としては、ＳｉＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＰＳＧ（Phospho Silicate Glass）、ＢＳＧ（Boro-Silicate Glass）、ＢＰＳＧ（Boro-Phospho Silicate Glass）、ＴｉＮなどがある。これらの材料の屈折率は、１．４〜５の間に分布している。よって、従来のように光吸収膜２５０が無い場合には、光の屈折が、互いに屈折率の異なる材料の境界、または、被処理基板の最上層とそれに接する気体（屈折率約１）との境界において生じやすい。

また、光源１００は、キセノンフラッシュランプである。キセノンフラッシュランプから放射される光の波長は約１μｍ以下の範囲に分布している。その光の波長が約５５０ｎｍのときに、光強度が最大となる。

被処理基板２００の表面には、素子を構成するゲート電極２２０や素子分離部２１０などによって微細な凹凸パターンが形成されている。ゲート電極２２０の厚さおよび隣り合うゲート電極２２０間の距離などのパターンのサイズは数μｍ以下である。よって、このパターンのサイズは、キセノンフラッシュランプからの光波長と同等である場合がある。これにより、従来のように光吸収膜２５０が無い場合には、キセノンフラッシュランプからの光の屈折および干渉が生じるので、上述のホットスポットの問題を引き起こす。

これに対し、本実施形態においては、図１に示すように光吸収膜２５０が保護膜２４０上に形成されている。図２に光吸収膜２５０の構成を示す。光吸収膜２５０が単層膜である場合、光吸収膜２５０は、屈折率（ｎ−ｉｋ）の実部ｎが０．５から２．２であり、かつ、その虚部ｋが１．０以下である材料から成る。

光吸収膜２５０を単層膜として構成する場合、光吸収膜２５０は、例えば、ＳｉＯＮ、ＡｌＮ、ＺｒまたはＳｉＧｅである。ＳｉＯＮの屈折率（ｎ−ｉｋ）は、ｎ＝１．９５、尚且つ、ｋ＝０．２である。ＡｌＮの屈折率（ｎ−ｉｋ）は、ｎ＝１．９、尚且つ、ｋ＝０．０２である。Ｚｒの屈折率（ｎ−ｉｋ）は、ｎ＝１．８２５、尚且つ、ｋ＝０．９５５である。ＳｉＧｅの屈折率（ｎ−ｉｋ）は、ｎ＝４．３７〜５．６、尚且つ、ｋ＝０．０２〜０．９８である。例えば、キセノンフラッシュランプ１００からの光の波長をλとすると、厚さλほどのＳｉＯＮの単層膜から成る光吸収膜２５０は、キセノンフラッシュランプ１００からの光を８０％以上吸収する。このような単層膜は、積層膜に対して光吸収膜２５０を簡単に形成することができるという利点の他に、光吸収に関して光波長への依存性が少ないという利点がある。

光吸収膜２５０は、図２に示すように２層以上の多層膜でもよい。この場合、光吸収膜２５０は、屈折率ｎ−ｉｋの実部ｎが１．５から６．０でありかつその虚部ｋが２．０以下である材料層とシリコン酸化膜とを含む多層膜である。光吸収膜２５０を多層膜のうち、図２に示すようにキセノンフラッシュランプ１００に近い層を第１の層とし、半導体基板２０５に近い層を第２の層とする。光吸収膜２５０の構成を簡単にするために、第１の層はＳｉＯ_２でよい。ＳｉＯ_２の屈折率（ｎ−ｉｋ）の実部ｎが約１．４６であり、尚且つ、その虚部ｋがゼロである。ＳｉＯ_２の屈折率（ｎ−ｉｋ）をｑとすると、第１の層として用いられるＳｉＯ_２膜の厚みは約(λ＋２ｍλ)／４ｑ（ｍは０以上の整数）であることが好ましい。第１の層としてＳｉＯ_２を用いた場合、第２の層は、屈折率（ｎ−ｉｋ）の実部ｎが約１．５〜５．０であり、尚且つ、その虚部ｋが約０．１〜２．０である材料であることが好ましい。例えば、第１の層が厚みλのＳｉＯ_２であり、第２の層がＳｉＯＮまたはＡｌＮである場合、光吸収膜２５０は、キセノンフラッシュランプからの光を９０％以上吸収することができる。

光吸収膜２５０は、次の第１から第４の組合せのうちのいずれかの組合せであってもよい。第１の組合せは、第１の層がＳｉＯ_２（厚さ０．２８４μｍ）であり、第２層がＺｒ（厚さ１．０μｍ以上）である。第２の組合せは、第１層がＳｉＯ_２（厚さ０．２８４μｍ）であり、第２層がＴａ（厚さ０．２μｍ以上）である。第３の組合せは、第１層がＳｉＯ_２（厚さ０．２８４μｍ）、第２層がＳｉ（厚さ９μｍ以上）である。第４の組合せは、第１層がＳｉＯ_２（厚さ０．２８４μｍ）であり、第２層がＰｏｌｙＳｉ（厚さ１．５μｍ以上）である。

第１から第４の組合せのいずれかを含む光吸収膜２５０は、約９０％以上の効率でキセノンフラッシュランプからの光を吸収する。特に、第１の組合せを含む光吸収膜２５０は、約９８％以上の効率で光を吸収する。これにより、光吸収膜２５０は光エネルギーに対して効率良く熱エネルギーを発生する。

特許文献４には、光吸収膜としてポリＳｉ、アモルファスＳｉの単層膜またはポリＳｉとアモルファスＳｉとの積層膜を用いている技術が開示されている。しかし、ポリＳｉの単層膜は、可視光領域中心から近赤外光領域にわたって、屈折率（ｎ−ｉｋ）の実部ｎが４．５以上と大きく、尚且つ、その虚部ｋが０．１以下と小さい。アモルファスＳｉの単層膜は、屈折率（ｎ−ｉｋ）の実部ｎが４．８以上と大きい。従って、特許文献４に記載された光吸収膜は、本実施形態に従った光吸収膜２５０と比較してキセノンフラッシュランプからの光の吸収性が悪い。

これに対して、本実施形態による光吸収膜２５０は、上述の通りの屈折率を有し、キセノンフラッシュランプからの光の吸収性が良く、高効率で熱エネルギーを発生することができる。光吸収膜２５０からの熱エネルギーは、光吸収膜２５０と半導体基板２０５との間を媒介する保護膜２４０を通過して半導体基板２０５の表面へ到達する。半導体基板２０５は、この熱エネルギーによって熱処理される。

また、特許文献４に記載されたポリＳｉとアモルファスＳｉとの積層膜は、それらの屈折率が上述のとおり高いために光の反射率が高い。これに対し、本実施形態における多層膜の光吸収膜２５０は第１の層にＳｉＯ_２を有する。上述の通りＳｉＯ_２の屈折率はポリＳｉおよびアモルファスＳｉと比較して小さい。さらＳｉＯ_２は透光性に優れる。従って、光吸収膜２５０は、第１の層にＳｉＯ_２を有することにより、光源１００からの光の反射を防止することができる。これにより、光吸収膜２５０は、特許文献４に記載された光吸収膜に比較して光エネルギーを効率良く吸収することができる。

保護膜２４０は、熱エネルギーを効率良く光吸収膜２５０から半導体基板２０５へ伝導させるために、熱伝導率の高い材料であることが好ましい。また、同様の理由により、保護膜２４０はより薄いほうが好ましい。一方、熱処理後、光吸収膜２５０を除去するときのエッチングストッパとして保護膜２４０を用いる場合には、エッチングストッパとして利用できる材料を保護膜２４０として選択する。また、保護膜２４０を層間絶縁膜として利用する場合には、層間絶縁膜として利用できる材料を保護膜２４０として選択する。さらに、熱処理後に保護膜２４０を除去する場合には、容易に除去できる材料を保護膜２４０として選択する。従って、保護膜２４０の材料としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＣ、ＳｉＣＮ、ＰＳＧ／ＳｉＯ_２、ＢＰＳＧ／ＳｉＯ_２、ＧｅＯ_２またはバリアメタル（例えば、ＴｉＮやＴｉＷ）などが好ましい。

また、リソグラフィー技術を利用し、互いに異なる種類の材料を保護膜２４０として半導体基板２０５上に区分けして形成してもよい。例えば、半導体基板２０５のうち、ＰＭＯＳ上にＢ_２Ｏ_３を保護膜２４０として形成し、ＮＭＯＳ上にＰ_２Ｏ_５を保護膜２４０として形成してもよい。これにより、ソースおよびドレインへのイオン注入が不要になる。ここで、ＮＭＯＳ上には、Ｐ_２Ｏ_５の代わりに、Ａｓ_２Ｏ_３やＳｂ_２Ｏ_５を用いてもよい。

なお，保護膜２４０としてＳｉＯ_２を用いる場合、保護膜２４０上に形成される光吸収膜２５０の材料に、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、ＨｆのようなＳｉとシリサイドを形成する材料は使用することができない。熱処理のときに、保護膜２４０と光吸収膜２５０との界面に金属シリサイドが形成されてしまうからである。

光吸収膜２５０は、次の、第５および第６の組合せであってもよい。第５の組合せは、第１層がＳｉ（厚さ０．４μｍ以下）であり、第２層がＳｉＯ_２（厚さ１〜２ｎｍ）である。第６の組合せは、第１層がＳｉＧｅ（厚さ０．４μｍ以下）であり、第２層がＳｉＯ_２（厚さ１〜２ｎｍ）である。第５および第６の組合せにおいては、第２層がＳｉＯ_２であるので保護膜２４０を被処理基板２００に設ける必要がない。

第５および第６の組合せにおいて第１の層の厚さは、約０．４μｍ以下である。これにより、光吸収膜２５０の熱の時定数を小さくすることができる。熱の時定数が小さい膜ほど、熱に対する応答性が良い膜であり、高速に加熱され、尚且つ、高速に冷却され得る。従って、光吸収膜２５０は、熱に対する応答性が良い。第１の層は、好ましくは、表面の平坦なアモルファスＳｉまたはアモルファスＳｉＧｅであるが、ポリＳｉまたはポリＳｉＧｅであってもよい。

また、第５および第６の組合せにおいて第２の層は、ケミカルオキサイドとして形成されたＳｉＯ_２である。これは、熱処理後、第１の層を除去するときに、エッチングストッパとして作用する。例えば、第１の層であるＳｉまたはＳｉＧｅを除去するときには、コリン液を過酸化水素水および水またはオゾン水で希釈した溶液が用いられる。この溶液は、ＳｉまたはＳｉＧｅから成る半導体基板２０５や素子にダメージを与える可能性がある。

特許文献４に記載された方法では、光吸収膜であるシリコンは被処理基板や素子上に直接堆積されている。即ち、上述の第５および第６の組合せと異なり、光吸収膜の下にエッチングストッパが無いため、光吸収膜を除去するときに、被処理基板や素子にダメージを与えるおそれがある。

しかし、第２の層のＳｉＯ_２は、この溶液にエッチングされないので、本実施形態では、第２の層が半導体基板２０５を保護することができる。第２の層の厚さは、約１〜２ｎｍでよい。

図３は、本実施形態の処理の流れを示すフロー図である。半導体基板２０５の表面上に素子パターンを形成する（Ｓ１０）。ソースおよびドレインを形成するために用いられる不純物が半導体基板２０５へ注入される（Ｓ２０）。保護膜２４０が半導体基板２０５の表面上に堆積される（Ｓ３０）。光吸収膜２５０が半導体基板２０５の表面上に堆積され、これにより、被処理基板２００が形成される（Ｓ４０）。次に、被処理基板２００を熱処理装置へ挿入し、キセノンフラッシュランプ１００が被処理基板２００へ光エネルギーを放射し、被処理基板２００を熱処理する（Ｓ５０）。このときキセノンフラッシュランプ１００からの光エネルギーは、光吸収膜２５０に吸収され、熱エネルギーに変換される。これにより、被処理基板２００内の不純物は活性化される。キセノンフラッシュランプ１００が光エネルギーを照射する時間は１０ミリ秒以下である。このように、本実施形態は被処理基板２００を熱処理する。

本実施形態によれば、光吸収膜２５０が光エネルギーを熱エネルギーに変換するため、光吸収膜２５０の下に存在するパターンが光の屈折および干渉を生じさせない。よって、上述のホットスポットの問題が生じない。その結果、本実施形態は、被処理基板２００を均一に熱処理することができる。即ち、本実施形態は、熱処理による被処理基板２００の割れ、被処理基板２００の部分的な溶融、半導体基板２０５の結晶のスリップ、半導体基板２０５の結晶の欠陥、半導体基板２０５の結晶の転位（以下、被処理基板２００のダメージという）を防止することができる。

本実施形態は、キセノンフラッシュランプ１００を採用している。キセノンフラッシュランプ１００は、１００ｍｓｅｃ以下の短時間で被処理基板２００を熱処理することができる。望ましくは、キセノンフラッシュランプ１００は、１０ｍｓｅｃ以下の短時間で被処理基板２００を熱処理する。これにより、不純物層２３０の不純物を拡散させることなくこれを活性化させることができる。例えば、本実施形態によれば、不純物層の深さＸｊを５０ｎｍ以下に抑えつつ、活性化させることができる。また、被処理基板２００の熱処理時間が短いので、熱処理による被処理基板２００のダメージを防止することができる。

図１では、保護膜２４０は、半導体基板２０５の表面に充分に厚く堆積されている。それによって、保護膜２４０の表面はほぼ平坦であり、保護膜２４０の表面上に形成される光吸収膜２５０もほぼ平坦である。しかし、図４に示すように、保護膜２４０が薄く、光吸収膜２５０が凹凸形状や波形の場合であっても、本実施形態の効果は失われない。

光吸収膜２５０は３層以上の多層膜としてもよい。この多層膜は、例えば、Ｓ.Ｇ.Ｌｉｐｓｏｎ等によるＯｐｔｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ, ３ｒｄＥｄ. ＣａｍｂｒｉｄｇｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ, Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ(１９９５)に記載された技術により形成され得る。

光吸収膜２５０は、被処理基板２００上の全面に設けられてもよいが、半導体基板２０５の表面上の素子パターンが比較的密な領域のみに部分的に設けられていてもよい。それによって、被処理基板２００のうち特に浅い不純物層が必要な領域において、ホットスポットを防止し、それによって、不純物の拡散が防止され得る。

（第２の実施形態）
図５は、本発明に係る第２の実施形態に従って被処理基板２００が熱処理される様子を示した図である。本実施形態は、キセノンフラッシュランプ１００と被処理基板２００との間に光フィルタ２６０が設けられている点で第１の実施形態と異なる。本実施形態のその他の構成要素は、第１の実施形態と同じでよい。

上述のとおり、光吸収膜２５０は、キセノンフラッシュランプからの光を約９０％以上吸収する。しかし、光吸収膜２５０は、キセノンフラッシュランプからの総ての波長の光を吸収することはできない。そこで、本実施形態では、光フィルタ２６０が光吸収膜２５０を透過する光を予め除去する。

これにより、光吸収膜２５０を透過する光の強度を弱めることができる。その結果、本実施形態は、第１の実施形態よりも被処理基板２００のダメージをさらに低減させることができる。尚、本実施形態の処理フローは、図３に示すフローと同様であるので省略する。

（第３の実施形態）
図６は、本発明に係る第３の実施形態に従って被処理基板３００が熱処理される様子を示した図である。本実施形態は、保護膜２４０の表面が凹凸または波型（以下、粗面状ともいう）に形成されており、尚且つ、光吸収膜を有しない点で第１の実施形態と異なる。本実施形態の他の構成は第１の実施形態と同じでよい。

保護膜２４０は、第１の実施形態における保護膜２４０と同じでよい。ただし、本実施の形態は、光吸収膜を有しないので、エッチングストッパとして保護膜２４０を用いることが無い。よって、保護膜２４０は、エッチングストッパとしての適性を考慮することなく選択され得る。

図７は、本実施形態において、保護膜２４０の表面に形成された凹凸または波型の拡大図である。この図を用いて、保護膜２４０の表面の凹凸または波型の大きさに関して説明する。保護膜２４０の表面の凹凸または波型の頂部をＴ_１〜Ｔ_ｎとし、その谷部をＢ_１〜Ｂ_ｎとする。図７中の破線で示された基準面Ｆ_ＳＴＤは、基準面Ｆ_ＳＴＤから頂部Ｔ_１〜Ｔ_ｎの高さｈ_１〜ｈ_ｎの平均と基準面Ｆ_ＳＴＤから谷部Ｂ_１〜Ｂ_ｎの深さｄ_１〜ｄ_ｎの平均とが等しくなるように決定される。

保護膜２４０の表面の凹凸または波型は、次の式１を満たすように形成される。
λ>>（（Σ(ｈ_ｉ)^２）／ｎ）^１／２（式１）
ここで、ｉ＝１〜ｎであり、λは、キセノンフラッシュランプ１００からの光の波長である。即ち、保護膜２４０の表面の凹凸または波型は、基準面Ｆ_ＳＴＤからの頂部の高さｈ_１〜ｈ_ｎの２乗の平均値の平方根（自乗平均平方根）がキセノンフラッシュランプ１００からの光の波長λよりも充分に小さくなるように形成される。例えば、キセノンフラッシュランプの主な波長帯域は約３００ｎｍから約５００ｎｍである。これにより、保護膜２４０の表面の粗さが決定される。

保護膜２４０の表面を粗面状にする方法としては、例えば、研磨による方法がある。一般に、研磨された表面の形状は研磨に使用した砥粒の粒径に大きく依存する。従って、本実施形態では、式１に従って得られた大きさの凹凸または波形を保護膜２４０の表面に施すために適切な粒径の砥粒が選択される。この砥粒を用いて保護膜２４０の表面を研磨することによって、保護膜２４０の表面に所望の凹凸または波型を形成することができる。

保護膜２４０が所定の厚さに研磨されるまでは、加工効率を考慮して、比較的大きな粒径の砥粒を用いて保護膜２４０を研磨し、その後、凹凸または波形を保護膜２４０の表面に施すために適切な粒径の砥粒を用いて保護膜２４０を研磨してもよい。砥粒の材質や研磨液は、保護膜２４０の材質に基づいて選択する。また、保護膜２４０の研磨は、機械的研磨のみではなく、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）であってもよい。

保護膜２４０の表面を粗面状にすることによって、キセノンフラッシュランプ１００からの光が散乱され、それによりホットスポットが生じない。本実施形態において、保護膜２４０の表面が粗面状に加工されているので、保護膜２４０の屈折率は問題とならない。

本実施形態において、保護膜２４０の表面全体を粗面状にしてよい。しかし、保護膜２４０の表面のうち、半導体基板２０５の表面上の素子パターンが比較的密な領域のみに部分的に設けられていてもよい。それによって、被処理基板２００のうち特に浅い不純物層が必要な領域において、ホットスポットを防止し、それによって、不純物の拡散が防止され得る。本実施形態では、保護膜２４０の表面を粗面状にした。しかし、表面が粗面状に加工された粗面薄膜（図示せず）を保護膜２４０の表面上に貼付してもよい。

本実施形態の処理フローは、図３に示すステップＳ４０を削除し、ステップＳ３０とＳ５０との間に保護膜２４０の表面を研磨するステップを追加すればよい。

（第４の実施形態）
図８は、本発明に係る第４の実施形態に従って被処理基板４００が熱処理される様子を示した図である。本実施形態は、半導体基板２０５の表面上に屈折率調整膜２７０が設けられ、光吸収膜２５０を有しない点で第１の実施形態と異なる。本実施形態の他の構成は第１の実施形態と同じでよい。

本実施形態の屈折率調整膜２７０の屈折率は１〜１．４である。屈折率調整膜２７０の材料は、例えば、独国にあるＳｃｈｏｔｔ社のＬａＫ_１０、ＬａＳＦＮ_９またはＢＫ_７でよい。屈折率調整膜２７０は、被処理基板２００の周囲の雰囲気と半導体基板２０５の表面上の微細パターンに用いられる材料と間の屈折率の差を緩和する。これにより、キセノンフラッシュランプ１００からの光が、大きく屈折や干渉することなく半導体基板２０５へ照射される。その結果、ホットスポットの発生が低減する。

屈折率調整膜２７０は、単に、半導体基板２０５の表面上に形成された素子パターンの凹凸を埋め込み、平坦な表面Ｐを提供するだけでもよい。この場合にも、屈折率調整膜２７０は、被処理基板２００の周囲の雰囲気と半導体基板２０５の表面上の微細パターンに用いられる材料と間の屈折率の差を緩和することができる。この場合、屈折率調整膜２７０の材質は、その下にある半導体基板２０５上に形成された素子と熱処理時の雰囲気との屈折率差を小さくする任意の材料でよい。屈折率調整膜２７０は、例えば、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、アクリル、ポリカーボネイトまたはＳｉＯ_２でよい。

また、屈折率調整膜２７０としてＳｃｈｏｔｔ社のＬａＫ_１０、ＬａＳＦＮ_９またはＢＫ_７を用い、尚且つ、半導体基板２０５の表面上の凹凸を平坦化することによって、上述の屈折率調整膜２７０の材料自体の屈折率による効果および半導体基板２０５表面の平坦化による効果の両方を得ることができる。

尚、屈折率調整膜２７０が金属である場合には、金属シリサイドが熱処理によって屈折率調整膜２７０と半導体基板２０５との界面に発生し得る。また、半導体基板２０５の内部が金属によって汚染され得る。これらの問題を回避するために、屈折率調整膜２７０と半導体基板２０５との間に半導体基板２０５に対して安定な物質（図示せず）を介在させることもできる。この物質は、例えば、ＳｉＯ_２またはＴｉＮやＴｉＷ等のバリアメタルでよい。

本実施形態の処理フローは、図３に示すステップＳ４０を削除し、ステップＳ３０とＳ５０との間に保護膜２４０の表面を平坦化するステップを追加すればよい。

（第５の実施形態）
図９は、本発明に係る第５の実施形態に従って被処理基板５００が熱処理される様子を示した図である。本実施形態は、半導体基板２０５の表面上に粒子２８０を含む媒体が設けられ、保護膜２４０および光反射膜２５０を有しない点で第１の実施形態と異なる。本実施形態の他の構成は第１の実施形態と同じでよい。

粒子２８０の径は、半導体基板２０５上の素子パターンの大きさ以下である。例えば、粒子２８０の径は、隣り合うゲート電極２２０間の距離以下である。これにより、粒子２８０は、半導体基板２０５上の素子パターンの間に進入することができる。また、粒子２８０の径は、キセノンフラッシュランプ１００からの光の波長以上である。これにより、粒子２８０は、キセノンフラッシュランプ１００からの光を充分に散乱させることができる。

微粒子２８０の材料は、例えば、Ｓｃｈｏｔｔ社のＬａＫ_１０、ＬａＳＦＮ_９、ＢＫ_７でよい。または、微粒子２８０の材料は、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、アクリル、ポリカーボネイト、ＳｉＯ_２でもよい。熱処理後に微粒子２８０は、気体の噴き付け、ブラシ洗浄、超音波洗浄、液体洗浄、エッチングなどによって除去することができる。

本実施形態によれば、粒子２８０がキセノンフラッシュランプ１００からの光を散乱するので、半導体基板２０５の表面上でホットスポットが生じない。本実施形態において、微粒子２８０は、キセノンフラッシュランプ１００からの光を反射してもよいが、キセノンフラッシュランプ１００からの光を吸収して熱エネルギーを発生してもよい。これにより、微粒子２８０は、第１の実施形態における光吸収膜２５０と同様に作用する。

本実施形態において、微粒子２８０は半導体基板２０５の表面の全体に設けられている。しかし、微粒子２８０は、半導体基板２０５の表面のうち素子パターンの比較的密な領域のみに設けられてもよい。それによって、被処理基板５００のうち特に浅い不純物層が必要な領域において、ホットスポットを防止し、不純物の拡散が防止され得る。

本実施形態の処理フローは、図３に示すステップＳ４０を削除し、ステップＳ３０において粒子２８０を含む媒体を、半導体基板２０５の表面に堆積するステップを追加すればよい。

（第６の実施形態）
図１０は、本発明に係る第６の実施形態に従った熱処理装置６００の内部において、被処理基板１０１が熱処理される様子を示した図である。熱処理装置６００は、キセノンフラッシュランプ１００、ホットプレート６２０および光拡散板６５０を備えている。ホットプレート６２０は、被処理基板１０１を熱処理するときに、被処理基板１０１を予熱する。

光拡散板６５０は、例えば、２２０グリットのサンドブラストで研削された摺りガラスである。さらに、光拡散板６５０は、米国にあるエドモンド・オプティックス社の摺りガラスでもよい。光拡散板６５０の表面には、式１を満たすような凹凸または波型が成形されている。被処理基板１０１は、保護膜２４０、光吸収膜２５０、屈折率調整膜２７０および粒子２８０を具備する必要がない。

本実施形態において、光拡散板６５０はキセノンフラッシュランプ１００からの光を散乱させる。それによりホットスポットが被処理基板１０１の表面において生じない。

本実施形態において、光拡散板６５０は被処理基板１０１の表面上の全体に設けられている。しかし、光拡散板６５０は、被処理基板１０１の表面のうち素子パターンの比較的密な領域のみに設けられてもよい。それによって、被処理基板１０１のうち特に浅い不純物層が必要な領域において、ホットスポットが防止され、不純物の拡散が防止され得る。

以上の第１から第６の実施形態において、キセノンフラッシュランプ１００を光源として用いたが、他のフラッシュランプを用いてもこれらの実施形態の効果は失われない。

（第７の実施形態）
図１１は、本発明に係る第７の実施形態に従った熱処理装置７００の内部において、被処理基板１０１が熱処理される様子を示した図である。熱処理装置７００は、ハロゲンランプまたは水銀ランプ７１０およびシャッタ７５０を備えている点で熱処理装置６００と異なる。

キセノンフラッシュランプは、１００ミリ秒以下の短時間だけ光を照射することができる特徴を有する。ハロゲンランプまたは水銀ランプ７１０は、キセノンフラッシュランプほどに短時間だけ光を照射することができない。

そこで、本実施形態は、ハロゲンランプまたは水銀ランプ７１０と被処理基板１０１との間にシャッタ７５０を備えている。シャッタ７５０は、１００ミリ秒以下の短時間だけ光を通過させることができるように構成されている。これにより、ハロゲンランプまたは水銀ランプ７１０のように光の照射時間が比較的長い光源を採用した場合であっても、シャッタ７５０が光を通過させる時間を制御することができる。これにより、本実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

熱処理装置７００は、被処理基板１０１に代えて、被処理基板２００から５００のいずれかを処理してもよい。被処理基板２００から５００を処理する場合、本実施形態はそれぞれ第２から第５の実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明に係る第１の実施形態に従って被処理基板２００が熱処理される様子を示した図。光吸収膜２５０の構成を示す図。本実施形態の処理の流れを示すフロー図。光吸収膜２５０が凹凸形状や波形の被処理基板２００が熱処理される様子を示した図。本発明に係る第２の実施形態に従って被処理基板２００が熱処理される様子を示した図。本発明に係る第３の実施形態に従って被処理基板３００が熱処理される様子を示した図。本実施形態において、保護膜２４０の表面に形成された凹凸または波型の拡大図。本発明に係る第４の実施形態に従って被処理基板４００が熱処理される様子を示した図。本発明に係る第５の実施形態に従って被処理基板５００が熱処理される様子を示した図。本発明に係る第６の実施形態に従った熱処理装置６００の内部において、被処理基板１０１が熱処理される様子を示した図。本発明に係る第７の実施形態に従った熱処理装置７００の内部において、被処理基板１０１が熱処理される様子を示した図。

符号の説明

２００被処理基板
２０５半導体基板
２１０素子分離部
２２０ゲート電極
２２５サイドウォール
２３０不純物層
２４０保護膜
２５０光吸収膜

Claims

半導体基板に注入された不純物を活性化させるために該半導体基板を熱処理する半導体基板の熱処理装置であって、
前記半導体基板へ光を放射し、前記半導体基板を熱処理する光源と、
前記光源と前記半導体基板との間に設けられ、前記光源からの光エネルギーが前記半導体基板内において局所的に集中することを防止する光拡散板とを備えた半導体基板の熱処理装置。
半導体基板に注入された不純物を活性化させるために該半導体基板を熱処理する半導体基板の熱処理装置であって、
前記半導体基板へ光を放射し、前記半導体基板を熱処理する光源と、
前記光源と前記半導体基板との間に設けられ、前記光源からの光エネルギーを所定時間だけ通過させるシャッタとを備えた半導体基板の熱処理装置。