JP2012516576A - 運動による基板の急速冷却 - Google Patents
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Abstract
本明細書では、基板の冷却方法が提供される。いくつかの実施形態では、基板の冷却方法は、導入温度から、約摂氏900度より高いピーク温度までプロセスチャンバ内で基板を加熱することと、基板の上面に直交する方向に少なくとも約3ミリメートル/秒の速度で基板を移動させることによって、ピーク温度の約摂氏50度以内から基板を冷却することとを含む。いくつかの実施形態では、基板を移動させることによって基板を冷却することは、プロセスチャンバの上面から第1の距離だけ離れている第1の位置に基板を移動させること、及び上面から第1の距離より大きな第2の距離だけ離れている第2の位置に引き続き基板を移動させることをさらに含む。いくつかの実施形態では、ピーク温度付近の滞留時間が約0.6秒以下である。
Description
本発明の実施形態は、一般に処理方法に関し、詳細には、基板を冷却する方法に関する。
小規模な半導体素子の接続点では、熱プロセスの正確な制御が肝要である。例えばトランジスタ素子は、極浅接合(USJ)ソース/ドレイン領域を含むことがあり、これらの領域をリンやホウ素などのドーパントでドープして、キャリアの移動度を増加させることができる。イオン注入などのドーピングプロセスの間、ソース/ドレイン領域は損傷するおそれがあり、熱プロセスによる修復が必要になる。さらに、ドーパントを例えば注入後の熱プロセスにより活性化させて、ソース/ドレイン領域内の格子サイトまたは格子間隙に拡散させる必要がある場合がある。ドーパントを活性化させ、ソース/ドレイン領域を修復するための好適な熱プロセスは、急速熱処理(RTP)(スパイクRTPアニールなど)を含んでもよい。都合の悪いことに、RTPプロセスは、伝導および/または放射による熱的損失が不十分であるため、冷却速度が非常に遅い。したがって、RTPプロセスのためにソース/ドレイン領域が高い温度になっている時間が、トランジスタ素子のチャネルや、ドーパントが必要でない素子の他の領域にドーパントを拡散させてしまうのに十分なものになる。
したがって、当技術分野では、熱プロセス中に基板を冷却する方法を改良することが求められている。
本明細書では、基板を冷却する方法を提供する。いくつかの実施形態では、基板を冷却する方法が、導入温度から、約摂氏900度より高いピーク温度までプロセスチャンバ内で基板を加熱することと、基板の上面に直交する方向に少なくとも約3ミリメートル/秒の速度で基板を移動させることによって、ピーク温度の約摂氏50度以内から基板を冷却することとを含む。
いくつかの実施形態では、基板を移動させることによって基板を冷却することは、プロセスチャンバの上面から第1の距離だけ離れた第1の位置に基板を移動させること、およびその上面から第1の距離より大きな第2の距離だけ離れている第2の位置に引き続き基板を移動させることをさらに含む。いくつかの実施形態では、ピーク温度より約摂氏50度下から基板を加熱することとピーク温度より約摂氏50度下まで基板を冷却することとの間の滞留時間が、約1.2秒より短い。いくつかの実施形態では、滞留時間が約0.6秒以下である。本発明の他のさらなる実施形態を以下に記載する。
上記で簡単に概要を述べ、以下でより詳細に論じる本発明の実施形態は、添付図面に示した本発明の実例となる実施形態を参照することにより理解することができる。しかしながら、本発明は他の同等に有効な実施形態を許容するので、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示しており、したがって本発明の範囲を限定するものと考えられるべきではないことに留意されたい。
理解を容易にするために、可能なところでは同じ参照番号を用いて、各図に共通な同じ構成要素を示している。これらの図は寸法通りには描かれておらず、分かり易くするために簡略化していることもある。一実施形態の構成要素と特徴は、さらに説明することなく他の実施形態に有益に組み込まれ得ることが企図される。
本明細書では、基板を急速に冷却する方法を提供する。その冷却方法は、急速熱処理(RTP)(スパイクRTPなど)の一部であってもよい。その冷却方法により、RTPアニール中に基板がピーク温度またはその付近にある滞留時間が好適に減少する。滞留時間を減少させることは、例えば、基板に注入したドーパントを活性化し注入のプロセスによる基板の損傷を修復しながらドーパントの拡散を制限するために有益である。
例えば、以下でより詳細に論じるように、いくつかの実施形態では、比較的高い温度(例えば、約摂氏900度より上、またはいくつかの実施形態では約摂氏900度〜約摂氏1400度、またはいくつかの実施形態では約摂氏1000度〜約摂氏1400度)から始めて、比較的短い距離(例えば、約8mm未満、または約5mm未満)にわたり、比較的速いスピード(例えば、約10mm/秒以上、またはいくつかの実施形態では約50mm/秒以下、またはいくつかの実施形態では少なくとも約3mm/秒、またはいくつかの実施形態では約3〜約15mm/秒、またはいくつかの実施形態では約3〜約50mm/秒)で基板を移動させて、比較的大幅な(例えば、約摂氏10度〜約摂氏50度より大きな)温度降下を達成することができる。いくつかの実施形態では、そうした急速冷却を約350ミリ秒〜約1.2秒で達成することができる。上述の比較的高い温度は、ピーク温度である必要はないが、いくつかの実施形態では、基板がさらされるプロセス(例えば、アニール、またはスパイクアニールプロセス)のピーク温度の摂氏50度以内である。
図1は、本発明のいくつかの実施形態による基板を冷却する方法100のフローチャートを示す。方法100は、急速熱処理(RTP)などの熱プロセスの一部であってもよい。1つの例示的なRTPは、スパイク急速熱アニール(スパイクRTP)である。カリフォルニア州サンタクララのApplied Materials,Inc.から入手可能なRADIANCE(登録商標)やRADIANCEplus(登録商標)の熱処理システムなどの、または図3に関して以下で記載するプロセスチャンバ300などの、熱プロセス用に構成された任意の好適なプロセスチャンバで方法100を実行することができる。図1で述べた方法100の様々な段階での基板を示した図2A〜図2Cに関して、方法100を以下で記載する。
通常、図2Aに示すように基板200を供給する102より、方法100は開始する。基板200は、その上に膜処理を行ったいかなる基板または材料面をも意味する。いくつかの実施形態では、基板200は、シリコン、結晶シリコン(例えば、Si<100>またはSi<111>)、歪み付加シリコン、シリコンゲルマニウム、ドープされたまたはドープされていないポリシリコン、ドープされたまたはドープされていないシリコンウェハ、パターン付きのまたはパターン付きでないウェハ、シリコンオンインシュレータ(SOI)、ドープされたシリコンなどを含んでもよい。いくつかの実施形態では、基板200は、直径200mmまたは300mmのウェハや、長方形または正方形の面などの様々な寸法であってもよい。いくつかの実施形態では、基板200はシリコンを含む。基板200はパターン付けされていてもよく、かつ/または多数の材料層を含んでもよい。
例えば、基板は、ソース/ドレイン領域などの極浅接合(USJ)領域(図示せず)をもつ、トランジスタ素子などの半導体素子(図示せず)の一部であってもよい。ソース/ドレイン領域にリンやホウ素などのドーパントを注入して、キャリアの移動度の増加を促進することができる。注入プロセスの結果として、基板200は損傷することがあり、かつ/またはドーパントを活性化する必要がある1つまたは複数のドープされた領域ができることがある。
104では、基板200をピーク温度まで加熱してもよい。いくつかの実施形態では、ピーク温度は、約摂氏900度より上か、約摂氏900度〜約摂氏1400度か、または約摂氏1400度より高くてもよい。一実施形態では、ピーク温度は約摂氏1050度である。上記では、例えば約摂氏900度より上のピーク温度に関して述べたが、いくつかの実施形態では、ピーク温度は、少なくとも約摂氏150度や少なくとも約摂氏350度などのより低い温度でもよい。
最初に、例えば以下で記載する例示的なプロセスチャンバのうちの1つであるプロセスチャンバに基板200を入れ、ピーク温度より低い導入温度に加熱し、その温度に維持してもよい。例えば、いくつかの実施形態では、導入温度は室温の近く、すなわち約摂氏25度でもよい。いくつかの実施形態では、導入温度は約摂氏25度〜約摂氏600度でもよい。
例えば、スパイクRTPアニールなどのいくつかの実施形態では、基板200を導入温度から第1の温度まで第1の加熱速度で加熱し、引き続き、第1の温度からピーク温度の近くまで第2の加熱速度で加熱してもよい。いくつかの実施形態では、第1の温度は約摂氏900度〜約摂氏1150度である。いくつかの実施形態では、第2の加熱速度は第1の加熱速度より高い。第1の加熱速度は、一定に近いかまたは約摂氏5度/秒〜約摂氏25度/秒でもよい。第2の加熱速度は、スパイクRTPアニールのスパイク部分の間などは速くてもよく、または約摂氏50度/秒〜約摂氏300度/秒でもよい。
いくつかの実施形態では、例えばスパイクRTPアニールの間、基板が速やかにピーク温度に達するように、加熱速度を最大化したいことがある。加熱速度を最大化することは、例えば、基板200がピーク温度またはその付近に(約摂氏50度以内に)ある滞留時間を減少させる一助となり得る。そして例えば、いくつかの実施形態では、ピーク温度より約摂氏50度下から基板を加熱し、ピーク温度より約摂氏50度下まで基板を冷却する間の時間として、滞留時間を定義することができる。滞留時間を減少させることは、上記の通り、例えば、活性化の間にドーパントの拡散を制限し、または基板200を修復する点で有益である。
いくつかの実施形態では、断熱流体境界層を形成することによって加熱速度を増加させることができる。図2Aに示すように、基板200に隣接して境界層202を堆積させてもよい。基板200から放射エネルギー204が逃げるのを妨げることによって、基板200に隣接する流体の流れに起因する対流熱の損失を軽減することによって、および/または基板200の表面の温度に近い温度をもつ層を形成することにより基板からの伝導熱の損失を軽減することによって、境界層202は加熱速度を増加させることができる。放射エネルギー204は、基板表面の付近で、または基板表面から約30nmまでの深さから放射することができる。いくつかの実施形態では、放射エネルギー204は、約700〜約1000nmの波長で放射することができる。例えば、境界層202はプロセスガスを含んでもよく、例えばそこでは、プロセスガスが基板200の表面に物理的に吸着している。プロセスガスは放射エネルギー204を吸収することができるので、基板の表面での熱の損失が制限される。さらに、プロセスガスは放射エネルギー204を基板200にはね返すことができるので、基板200からの熱の損失が制限される。
プロセスガスは、ヘリウム、酸素、窒素、またはそれらを組み合わせたものを含んでもよい。いくつかの実施形態では、プロセスガスには、水素(H2)と酸素(O2)が含まれる。プロセスガスは、基板表面を横切って流してもよく、基板表面の上から流してもよく、またはRTPアニールで典型的に使用する任意の好適な流れ構造で流してもよい。
プロセスガスには、色々な組成物を利用することができる。例えば、プロセスガスの組成を変化させて、例えば基板200からの放射エネルギーの吸収などを改善することができる。いくつかの実施形態では、プロセスガスは、約95〜約99パーセントの窒素(N2)(例えば、約100〜約20000sccmのN2流量)を含んでもよい。いくつかの実施形態では、プロセスガスは、約1〜約5パーセントの水素(H2)を含んでもよい。一実施形態では、プロセスガスは、窒素(N2)中に約1〜約5%の水素(H2)を含む。
106では、基板の表面に直交する方向に基板を移動させることによって、ピーク温度の約摂氏50度以内から基板200を冷却する。いくつかの実施形態では、基板200の移動は、ピーク温度の約摂氏50度以内から、すなわち言い換えると、ピーク温度に達する前の約摂氏50度以内から開始してもよい。いくつかの実施形態では、基板200の移動はピーク温度の付近で開始してもよい。基板200の表面に直交する方向の運動は、206を付した矢印で図2Cに示してある。本発明者らは、基板200の冷却速度を高めるためには基板200を単に移動させるだけでは十分でないことを発見した。基板200を急速に移動させることにより、境界層202がかき乱され、基板200のより急速冷却が促進されると考えられる。例えば、境界層202をかき乱すのに十分な(例えば、プロセスガスの粒子208が境界層202から放出することによって境界層202を薄くすることができる)速度で、基板200を移動させてもよい。基板200は、少なくとも約3mm/秒の速度で、最大約10mm/秒の速度で、最大約50mm/秒の速度で、または約3〜約15mm/秒の速度で移動させてもよい。いくつかの実施形態では、基板が移動する速度により、約摂氏10度〜約摂氏50度の、または約摂氏50度より大きな温度降下を促進させることができる。いくつかの実施形態では、ピーク(または初期)温度より約50度下に達するための冷却時間は、約350ミリ秒〜約1.2秒、または約350ミリ秒である。いくつかの実施形態では、滞留時間(または冷却時間)は、約1.2秒より短いか、または約350ミリ秒〜約1.2秒、または約0.6〜約1.0秒、または約0.6秒以下、または約350ミリ秒としてもよい。
いくつかの実施形態では、基板200の冷却を補助するために冷却板を設けてもよい。例えば、冷却板に向けて上記のやり方で基板を急速に移動させることによって、基板200をピーク温度から冷却してもよい。いくつかの実施形態では、以下の図3に示すプロセスチャンバ300内の冷却ブロック380のように、冷却板をプロセスチャンバの上面の付近に配置してもよい。いくつかの実施形態では、冷却板は、基板の、基板を加熱するために使用されるエネルギー源とは反対の側に配置してもよい。例えば、以下で記載する例示的なプロセスチャンバ300では、基板200より上に配置された冷却ブロック380(すなわち、冷却板)と、基板200より下に配置されたエネルギー源306とが例示されている。
いくつかの実施形態では、(上述した104で)基板を加熱する間、プロセスチャンバの上面または冷却板から初期距離がある初期位置に、基板200を保持してもよい。いくつかの実施形態では、初期距離は、その上面または冷却板から約8ミリメートルである。
ピーク温度の近くまで、またはピーク温度の約摂氏50度以内に基板を加熱したときに、冷却板に向けて基板を急速に移動させることによって基板200を冷却してもよい。例えば、冷却板に向けて、約8ミリメートル未満、または約5ミリメートル未満、または約1〜約3ミリメートル基板を移動させることによって、比較的短い距離にわたり基板200を冷却してもよい。いくつかの実施形態では、冷却板に向けて基板を移動させることによって基板を冷却することは、冷却板から第1の距離だけ離れた第1の位置に基板を移動させること、および、冷却板から第1の距離より大きな第2の距離だけ離れている第2の位置に引き続き基板を移動させることを含んでもよい。冷却板から離れるように基板を移動させると、基板表面の全体での最終的な冷却プロファイルをより一様にすることができる。いくつかの実施形態では、第1の距離は冷却板から約1〜約3ミリメートルである。いくつかの実施形態では、第2の距離は冷却板から約6ミリメートルである。
いくつかの実施形態では、プロセスチャンバ、例えば以下で記載する例示的なプロセスチャンバ400の上面に向けて基板を急速に移動させることによって、基板200を冷却してもよい。いくつかの実施形態では、エネルギー源、例えば、ランプヘッド401を、プロセスチャンバ400の上面(すなわち、窓組立体414)より上に配置してもよい。上述した実施形態と同様に、基板をエネルギー源に向けて移動させることによって基板を冷却してもよい。いくつかの実施形態では、プロセスチャンバの上面から第1の距離だけ離れた第1の位置に基板を移動させること、および、その上面から第1の距離より大きな第2の距離だけ離れている第2の位置に引き続き基板を移動させることによって、基板を冷却してもよい。
基板200は、基板の表面に直交する方向に、断熱境界層202をかき乱す任意の好適な運動で移動させることができる。その運動は、上記の通り、冷却板から初期距離がある初期位置から、冷却板から第1の距離だけ離れた第1の位置まで、基板200を加速および減速させるなどの任意の好適な運動とすることができる。その運動は、直線状、正弦波状、または、境界層202をかき乱し、境界層202が崩壊し図2Cに示すようなプロセスガスの粒子208になるのを促進する、他の任意の好適な運動でもよい。その粒子208は、プロセスガスの、および/またはプロセスガスから形成された原子または分子を含んでもよい。
境界層202をかき乱すかまたは崩壊させプロセスガスの粒子208にすることにより、図2Dに示すように基板200から逃げる放射エネルギー204に起因する熱の損失を改善することを促進することができる。放射エネルギー204は、例えば、プロセスチャンバ300の壁または表面、基板200の付近に配置された冷却板、または他の同様の手段によって吸収することができる。いくつかの実施形態では、冷却板は、放射エネルギー204が吸収され、したがって冷却中に基板200にはね返らないような、反射性でない材料で覆われてもよく、かつ/またはそうした材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、反射性でない材料は、セラミック、石英、または粗面化された表面をもつ材料を含んでもよい。
さらに、放射エネルギー204は、プロセスガスの粒子208によって吸収することができ、例えば、ヒートシンクとして作用することができるプロセスチャンバ300の壁または表面に向けて、基板200から離れるように流すことができる。したがって、境界層202をかき乱すかまたは崩壊させ粒子208にすることにより、ピーク温度からの冷却速度を改善することができる。いくつかの実施形態では、ピーク温度の近くからピーク温度より約50度下までの冷却速度は、約摂氏90度/秒〜約摂氏150度/秒である。
例えばスパイクRTPアニールなどのいくつかの実施形態では、基板200を、ピーク温度の近くから第2の温度まで第1の冷却速度で冷却し、かつ第2の温度から最終温度まで第2の冷却速度で冷却してもよい。いくつかの実施形態では、第2の冷却速度は第1の冷却速度より低い。第2の冷却速度は、一定に近いかまたは約摂氏50度/秒〜約摂氏90度/秒でもよい。第1の冷却速度は、スパイクRTPアニールのスパイク部分の間などは速くてもよく、または約摂氏90度/秒〜約摂氏150度/秒でもよい。いくつかの実施形態では、第2の温度は、約摂氏900度〜約摂氏1150度、または上記の第1の温度の約80%以内でもよい。いくつかの実施形態では、最終温度は室温の近く、すなわち約摂氏25度でもよい。いくつかの実施形態では、最終温度は約摂氏25度〜約摂氏600度でもよい。
プロセスガスの流量を増加させることによって、冷却速度の改善を助長してもよい。例えば、冷却中に基板200を急速に移動させることによって、流量を増加させることができる。いくつかの実施形態では、約40slmまで流量を増加させることができる。流量が増加することにより、例えば、運動206の間に基板の表面から粒子208をより速く運び去ることができる。あるいは、注出口または噴出口などでプロセスチャンバに入るプロセスガスの流量をピーク温度の近くから基板200を冷却する間に増加させて、境界層202をかき乱すことを促進することができる。
本明細書に記載した、ピーク温度の近くの基板200を加熱および冷却する方法により、上記の滞留時間を容易に約1.2秒未満にすることができる。いくつかの実施形態では、滞留時間は、約1.2秒未満、または約350ミリ秒〜約1.2秒、または約0.6〜約1.0秒、または約0.6秒以下、または約350ミリ秒とすることができる。
本明細書に記載した方法は、例えば、図3に示した急速熱処理チャンバ300などの任意の好適な熱処理システムで実行することができる。
図3は、本発明のいくつかの実施形態に従って利用することができる1つの例示的な半導体処理チャンバを示す。プロセスチャンバ300は、例えば急速熱処理(RTP)などの熱処理用に構成された、任意の好適なプロセスチャンバとすることができる。
処理チャンバ300は、非接触または磁気的に浮上した基板支持体304と、壁308、底部310、および上端312を有し内部ボリューム320を画定するチャンバ本体302とを備える。壁308は、典型的には、基板200(その一部分を図1に示してある)の出し入れを容易にするための少なくとも1つの基板アクセスポート348を備える。そのアクセスポートは、搬送チャンバ(図示せず)またはロードロックチャンバ(図示せず)に結合されてもよく、スリットバルブ(図示せず)などのバルブで選択的に閉じてもよい。チャンバ300は、基板200の下かつ基板支持体304の内径内に配置されたエネルギー源306を備える。本発明に従って改良することができる例示的なRTPチャンバおよび基板支持体は、2002年3月29日に出願され2004年10月5日に発行された米国特許第6,800,833号、および2004年2月27日に出願され2005年9月1日に米国特許出願公開第2005/0191044号として公開された米国特許出願第10/788,979号に記載されており、これらの両方の全文が参照により組み込まれる。しかしながら、エネルギー源306が下に配置されている基板支持体304は、本発明で利用することができる1つの例示的な実施形態である。例えば、基板支持体304より上やその他の構成で配置されたエネルギー源を用いて、本発明を利用してもよい。さらに、非接触でない、かつ/または磁気的に浮上していない基板支持体を用いて、本発明を利用してもよい。
基板支持体304は、磁気的に浮上し内部ボリューム320内で回転する。基板支持体304は、回転しながら処理中に垂直に上昇および下降することができ、処理前、処理中、または処理後に回転することなく上昇または下降することもできる。この磁気的な浮上および/または磁気的な回転により、基板支持体を上昇/下降および/または回転するために通常必要な可動部分がなくなるかまたは少なくなるため、粒子の生成が防止または最小限に抑えられる。いくつかの実施形態では、放射熱源306は基板支持体304に移動可能に結合される。
基板支持体304は、熱や様々な波長の光を透過する材料でできた窓314を備え、それらの波長は赤外線(IR)スペクトル中の光を含んでもよく、その窓を通して、放射熱源306からのフォトンが基板200を加熱することができる。一実施形態では、窓314は石英材料でできているが、サファイアなどの、光を透過する他の材料を使用してもよい。
複数のリフトピン344が窓314を通して配置されている。リフトピン344は、チャンバ300へのおよびチャンバ300からの基板の搬送を容易にするために、基板200に選択的に接触しかつ基板200を支持する。複数のリフトピン344のそれぞれは、エネルギー源306からのエネルギーの吸収を最小限に抑えるように構成され、石英材料などの、窓314に使用したのと同じ材料でできている。複数のリフトピン344は、搬送ロボット(図示せず)に結合されたエンドエフェクタが通過しやすくなるように位置決めし、放射状に互いに間隔を空けていてもよい。あるいは、そのエンドエフェクタおよび/またはロボットは、基板200を搬送しやすいように、水平および垂直に移動可能でもよい。いくつかの実施形態では、基板支持体304は水平に移動可能であり、この移動は複数のリフトピン344から独立している。したがって、基板支持体304を水平面に沿って移動させてもよく、リフトピン344上に配置された基板200に対してそろえてもよい。
エネルギー源306は、冷媒源383に結合された冷媒の組立体(図示せず)の中に複数のハチの巣状の管360を含む筺体から形成されたランプ組立体を備える。冷媒源383は、水、エチレングリコール、窒素(N2)、およびヘリウム(He)のうちの1つか、またはそれらを組み合わせたものでよい。筺体は、冷媒源383からの冷媒が流れるための好適な冷媒チャネルが内部に形成された銅材料または他の好適な材料でできたものでよい。各管360は、反射板および高輝度のランプ組立体またはIRエミッタを含んでいてもよく、そこからハチの巣のようなパイプの配置が形成されている。このパイプの六方最密配置により、エネルギー源は出力密度が高くなり、空間分解能が良好になる。一実施形態では、例えば、基板200上に配されたシリコン層のアニーリングなど、基板を熱的に処理するために十分な放射エネルギーが、エネルギー源306により与えられる。エネルギー源306は、制御装置324によって複数の管360に供給される電圧を、管360からのエネルギーの放射状の分布を強めるようにその中で変化させることができる環状区域をさらに含んでいてもよい。基板200の加熱の動的な制御は、基板200全体の温度を測定する1つまたは複数の温度センサ317(以下でより詳細に記載する)からの影響を受けてもよい。いくつかの実施形態では、エネルギー源306によって与えられる放射エネルギーは、約700nm〜約1000nmの波長をもつ。
ステータ組立体318はチャンバ本体302の壁308に外接しており、チャンバ本体302の外面に沿ったステータ組立体318の高度を制御する1つまたは複数のアクチュエータ組立体322に結合される。一実施形態(図示せず)では、チャンバ300は、チャンバ本体の周りに放射状に、例えばチャンバ本体302の周りに約120度の角度で配置された3つのアクチュエータ組立体322を備える。ステータ組立体318は、チャンバ本体302の内部ボリューム320内に配置された基板支持体304に磁気的に結合される。基板支持体304は、ロータとして機能する磁気的な部分(例えば、磁気的な区画305)を備えるかまたは含み、それにより、基板支持体304を持ち上げかつ/または回転する磁気的なベアリング組立体を作ってもよい。一実施形態では、基板支持体304の少なくとも一部分は流体源386に結合された溝(図示せず)によって部分的に取り囲まれており、その流体源は、基板支持体用の熱交換媒体として適合された、水、エチレングリコール、窒素(N2)、ヘリウム(He)、またはそれらを組み合わせたものを含んでもよい。また、ステータ組立体318は、ステータ組立体318の様々な部分および構成要素を囲む筺体390を含んでもよい。一実施形態では、ステータ組立体318は、サスペンションコイル組立体370の上に積み重ねた駆動コイル組立体368を含む。駆動コイル組立体368は、基板支持体304を回転および/または上昇/下降するようになされており、サスペンションコイル組立体370は、処理チャンバ300内で基板支持体304を受動的に中心に合わせるようになされていてもよい。あるいは、その回転と中心合せの機能は、単一のコイル組立体をもつステータによって実行することができる。
空気制御システム364も、チャンバ本体302の内部ボリューム320に結合される。一般に、空気制御システム364は、チャンバの圧力を制御するためのスロットルバルブおよび真空ポンプを含む。加えて、空気制御システム364は、内部ボリューム320にプロセスガスまたは他のガスを与えるためのガス源を含んでもよい。また、空気制御システム364は、熱蒸着プロセス用のプロセスガスを送出するようになされていてもよい。
チャンバ300は制御装置324を含み、この制御装置は一般に、中央演算処理装置(CPU)330、サポート回路328、およびメモリ326を含む。CPU330は、産業上の環境で様々な動作およびサブプロセッサを制御するために使用することができるどのような形式のコンピュータプロセッサの1つでもよい。メモリ326またはコンピュータ読み取り可能な媒体は、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読み出し専用メモリ(ROM)、フロッピーディスク、ハードディスクなどの容易に入手可能な1つまたは複数のメモリ、または他のどのような形式のローカルまたはリモートのデジタル記憶装置であってもよく、典型的にはCPU330に結合されている。サポート回路328は、従来の様式で制御装置324をサポートするためにCPU330に結合されている。これらの回路は、キャッシュ、電源、クロック回路、入出力回路機構、サブシステムなどを含む。
一般に、アクチュエータ組立体322は、チャンバ本体302の壁308から延在する2つのフランジ334の間に結合された精密な親ねじ332を備える。親ねじ332は、親ねじが回転すると親ねじ332に沿って軸上を進むナット358を有する。カップリング336がステータ318とナット358の間に結合されており、それにより、親ねじ332が回転すると、親ねじ332に沿ってカップリング336が移動してカップリング336との境界面でステータ318の高度を制御する。そのため、アクチュエータ322のうちの1つの親ねじ332が回転してその他のアクチュエータ322のナット358との間で相対的な変位が生じると、チャンバ本体302の中心軸に対してステータ318の水平面が変化する。ステッパやサーボモータなどのモータ338が親ねじ332に結合されており、制御装置324による信号に応答して制御可能に回転をすることができる。あるいは、他の種類のアクチュエータ322、とりわけ、空気圧シリンダや、水圧シリンダ、ボールねじ、ソレノイド、リニアアクチュエータ、カム従動節などを利用して、ステータ318の直線位置を制御してもよい。
チャンバ300は、1つまたは複数のセンサ316をさらに含み、このセンサは一般に、チャンバ本体302の内部ボリューム320内での基板支持体304(または基板200)の高度を検出する。センサ316は、チャンバ本体302および/または処理チャンバ300の他の部分に結合されてもよく、基板支持体304とチャンバ本体302の上端312および/または底部310との間の距離を表す出力を与えるようになされており、かつ基板支持体304および/または基板200の位置合せ不良を検出してもよい。
1つまたは複数のセンサ316は制御装置324に結合されており、その制御装置は、センサ316からの出力計量を受信し、1つまたは複数のアクチュエータ組立体322に1つまたは複数の信号を供給して、基板支持体304の少なくとも一部分を上昇または下降させる。制御装置324は、センサ316から得られた位置の計量を利用して、各アクチュエータ組立体322でのステータ318の高度を調整することができ、したがって、基板支持体304およびその上に取り付けた基板200の高度と平坦性の両方を、プロセスチャンバ300および/またはエネルギー源306の中心軸に対して調整することができる。例えば、制御装置324は、1つのアクチュエータ322の作用によって基板支持体を上昇させる信号を与えて、基板支持体304の軸方向の位置合せ不良を修正してもよく、または、制御装置は、すべてのアクチュエータ322に対し、基板支持体304を同時に垂直に移動させやすくする信号を与えてもよい。
1つまたは複数のセンサ316は、チャンバ本体302内の基板支持体304の近さを検出することができる、超音波、レーザ、誘導性、静電性、または他の種類のセンサでよい。センサ316は、上端312の付近でチャンバ本体302に結合されてもよく、または壁308に結合されてもよいが、チャンバ300の外でステータ318に結合されるなど、チャンバ本体302内およびその周囲の他の場所をも適切とすることができる。一実施形態では、1つまたは複数のセンサ316はステータ318に結合されてもよく、壁308を通して基板支持体304(または基板200)の高度および/または位置を検知する。この実施形態では、壁308は、壁308を通した位置の検知が容易になるように、より薄い断面を含んでもよい。
チャンバ300は、1つまたは複数の温度センサ317を含み、その温度センサは、処理前、処理中、および処理後に基板200の温度を検知するようになされてもよい。温度センサ317は上端312を通り抜けて配置されているが、チャンバ本体302内およびその周囲の他の場所を使用してもよい。温度センサ317は、光高温計、一例として、光ファイバプローブを有する高温計でもよい。基板の全直径または基板の一部分を検知する構成では、センサ317は上端312に結合するようになされてもよい。センサ317は、基板の直径に実質的に等しい検知範囲または基板の半径に実質的に等しい検知範囲を画定するパターンを含んでもよい。例えば、複数のセンサ317は、基板の半径または直径にわたる検知範囲を可能にする放射状または直線状の構成で、上端312に結合されてもよい。一実施形態(図示せず)では、複数のセンサ317は、上端312の中心近くから上端312の周辺部分まで半径方向に延在する線状に配置してもよい。このようにして、センサ317によって基板の半径を監視してもよく、それにより、回転中の基板の直径を検知することが可能になる。
チャンバ300は、上端312に隣接するか、それに結合されるか、またはその中に形成された冷却ブロック380をさらに含む。一般に、冷却ブロック380は、エネルギー源306とは離間しており、かつエネルギー源の反対側にある。冷却ブロック380は、注出口381Aと流出口381Bに結合された1つまたは複数の冷媒チャネル384を備える。冷却ブロック380は、ステンレス鋼、アルミニウム、ポリマー、またはセラミック材料などの、プロセスに対する耐性がある材料でできていてもよい。冷媒源チャネル384は、渦巻き状のパターン、長方形のパターン、円形のパターン、またはそれらを組み合わせたものを含んでもよく、そのチャネル384は、例えば、2つ以上の断片から冷却ブロック380を鋳造しかつ/または冷却ブロック380を製造し、それらの断片をつなぎ合わせることによって、冷却ブロック380内に一体化して形成されてもよい。加えて、あるいは、冷媒源チャネル384は冷却ブロック380内に掘削されてもよい。
本明細書に記載したように、チャンバ300は「仰向け」の向きで基板を受けるようになされており、基板の蒸着を受ける側または面は冷却ブロック380に向いており、基板の「裏面」はエネルギー源306に面している。典型的には、基板の裏面は基板の正面(すなわち、おもて面)より反射が弱いため、「仰向け」の向きでは、エネルギー源306からのエネルギーを基板200によってより急速に吸収することができる。
冷却ブロック380およびエネルギー源306がそれぞれ内部ボリューム320の上部および下部に位置しているものとして記載したが、冷却ブロック380およびエネルギー源306の位置は反対にしてもよい。例えば、冷却ブロック380の大きさを調整し、基板支持体304の内径内に配置されるように構成してもよく、エネルギー源306を上端312に結合させてもよい。この配置では、上記の実施形態に従って石英などの透明な材料または偏光材料で作られた窓を、チャンバ300の上部でエネルギー源306に隣接させるなど、エネルギー源306と基板支持体304の間に配置してもよい。裏面がエネルギー源306に面しているときの方が基板200はより容易に熱を吸収することができるが、どちらの構成でも、基板200を仰向けの向きまたはうつ伏せの向きに向けることができる。
注出口381Aおよび流出口381Bは、バルブおよび好適な配管によって冷媒源382に結合されてもよく、冷媒源382は、その中に配された流体の圧力および/または流量を制御しやすくするように、制御装置324と連通している。その流体は、水、エチレングリコール、窒素(N2)、ヘリウム(He)、または熱交換媒体として使用される他の流体でよい。
チャンバ300は、プロセスガスを流すための1つまたは複数のガス注出口(図示せず)をさらに含んでもよい。その1つまたは複数のガス注出口は、プロセスガスを横方向および/または垂直に、または基板表面に対して任意の好適な角度で送出するように構成してもよい。チャンバ300は、内部ボリューム320からプロセスガスを除去するための、および/または内部ボリューム320内の圧力を制御するための、内部ボリューム320に流動的に結合された排出口(図示せず)をさらに含んでもよい。排出口は、粗引きポンプやターボポンプなどのポンプ(図示せず)に結合されてもよい。プロセスガスは、例えば基板200上に酸化物を形成する間などの熱処理や、またはアニーリングなどの他の好適な熱プロセスのために利用してもよい。例示的なプロセスガスは、酸素(O2)、窒素(N2)、水素(H2)、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)などのうちの少なくとも1つを含んでもよい。
稼働中に、上記の方法100のいくつかの実施形態における106で、基板200の表面に直交する方向に基板を急速に移動させることによって基板200を冷却してもよい。例えば、図5Aに示すように、基板支持体304の上に基板200を静止させてもよく、ここで基板200は、冷却ブロック380(図5Aには図示せず)から初期距離502の初期位置にあってもよい。いくつかの実施形態では、初期距離は約8mmである。例えば、基板200の表面に直交する方向に基板200を移動させるために、ステータ組立体318の駆動コイル組立体368またはサスペンションコイル組立体370のうちの1つまたは複数は、基板支持体304を保持/固定しかつ/または受動的に中心に合わせるように係合していてもよい。制御装置324から信号を受信すると、アクチュエータ組立体322のモータ338は制御可能に回転することができ、それにより親ねじ332が回転し、親ねじが回転するとナット358が親ねじ332に沿って軸上を進むようになる。親ねじ332が回転すると、カップリング336を介してナット358に結合されたステータ組立体318が移動して、基板支持体304の高度を制御する。図5Bに示すように、上述したように冷却ブロック380(図5Bには図示せず)に向けて基板支持体304を移動させて、その結果、冷却ブロック380から第1の距離504がある第1の位置に基板200が移動するようにしてもよい。いくつかの実施形態では、第1の距離504は約3mmであり、またはいくつかの実施形態では約1〜約3mmである。冷却ブロック380に向けて基板支持体304を移動させる間、基板支持体304が移動するために、冷却ブロック380と基板200の表面の間に配されたプロセスガスの流量を増加する可能性がある。図5Bに示すように、(矢印506で示した)プロセスガスは、基板200の表面と冷却ブロック380(図5Bには図示せず)の間の内部ボリューム320の一部分から、基板200の表面に概ね平行な方向に押し出される。いくつかの実施形態では、流量を約40slmまで増加させてもよい。
あるいは、本明細書に記載した本発明の方法は、図4に示したプロセスチャンバ400などの、上から基板を加熱するように構成されたプロセスチャンバで実行してもよい。プロセスチャンバ400は、例えば急速熱処理(RTP)などの熱処理用に構成された、任意の好適なプロセスチャンバとすることができる。
基板200はチャンバ400内部の基板支持体408上に装着され、ランプヘッド401によって加熱され、そのランプヘッドは、基板支持体408に向かい合う位置に配置されている。ランプヘッド401は、基板200の表側407に向けた放射を発する。あるいは(図示せず)、ランプヘッド401は、例えば、基板200の下に配置されることまたは基板200の裏面に放射を向けることなどによって、基板200の裏面409を加熱するように構成してもよい。放射は、水冷式の石英窓組立体414を通してプロセスチャンバ400に入る。基板200の下には反射板402があり、その反射板は、水冷式のステンレス鋼の基体416に装着されている。基体416は、冷媒がそこを通って循環して反射板402を冷却する循環路446を含む。いくつかの実施形態では、反射板402はアルミニウムで作られており、高反射の面コーティング420を有している。基体416を通して水(摂氏23度より上でよい)を循環させて、加熱した基板200の温度より低く反射板402の温度を良好に保ってもよい。あるいは、他の冷媒を、同じかまたは異なる温度で与えてもよい。基体416を通して例えば不凍液(例えば、エチレングリコール、プロピレングリコールなど)または他の熱伝達流体を循環させてもよく、かつ/または基体416を冷却機(図示せず)に結合されてもよい。基板200の下面または裏面と反射板402の上端が反射空洞418を形成する。反射空洞418により、基板200の実効放射率が高くなる。
反射空洞の幅対高さの比は、約20:1以上でよい。例えば、いくつかの実施形態では、基板200と反射板402の間の分離は、ほぼ0.3インチ(7.6mm)でよく、こうして約27の幅対高さの比をもつ反射空洞418が形成される。8インチのシリコンウェハ用に設計された処理システムでは、基板200と反射板402の間の距離は、約3〜約9mmの間でよい。
基板200の局所的な領域での温度は、452a、452b、および452cなどの複数の温度プローブによって測定される。各温度プローブは、基体416の裏面から反射板402の上端を通って延在する導管424を通過するサファイア光パイプ426を含む。いくつかの実施形態では、サファイア光パイプ426は直径が約0.125インチであり、導管424の方がわずかに大きい。サファイア光パイプ426は、その最上端が反射板402の上面と同じ高さか、またはその上面よりわずかに下にあるように、導管424内に配置されている。光パイプ426の他方の端部は、標本抽出された光を反射空洞418から高温計428まで伝達する可撓性の光ファイバ425に結合される。
高温計428は、ランプヘッド401に供給される電力を測定された温度に応答して制御する温度制御装置450に接続されている。200mmのウェハの場合などのいくつかの実施形態では、ランプヘッド401は、高度にコリメートされた放射をタングステン−ハロゲンランプからプロセスチャンバ400に送出する約187本の光線を使用することができる。300mmのウェハの場合などのいくつかの実施形態では、ランプヘッド401は約409本の光線を使用することができる。本明細書で開示した光線の本数および構成は例示的なものであり、他の本数および構成も好適に使用することができる。
ランプは多数の区域に分割してもよい。それらの区域は、放射による基板200の異なる範囲の加熱を制御することが可能なように、制御装置によって個別に調整することができる。そうした制御システムは、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第5,755,511号に記載されており、その開示全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
上記で指摘したように、本明細書に記載した実施形態は、基板200の互いに異なる半径で温度を測定するように、反射板402にわたって分布した測定器、すなわち温度プローブを使用している。熱処理中に、基板200は、例えば約90RPMで回転する。このため、各プローブは、実際には、基板200上の対応する環状リングの範囲の温度プロファイルを標本抽出している。
基板支持体408は動かないように構成してもよく、または基板200を回転させてもよい。基板支持体408は、基板の外周の周囲で基板200と接触する支持体または端部リング434を含み、それによって、外周の周囲の小さな環状領域を除いて、基板200の下面全体が露出したままになる。支持リング434は端部リング434としても知られており、これら2つの用語は、本明細書で区別なく使用することがある。ある実施形態では、支持リング434は、半径方向の幅がほぼ1インチ(2.5センチメートル(cm))である。処理中に基板200の端部で起こる熱的な不連続性を最小限に抑えるために、支持リング434は、基板200と同じかまたは同様の材料、例えばシリコンでできている。
支持リング434は、シリコンでコーティングされて高温計428の周波数範囲で不透明になった、回転可能な管状の石英シリンダ436の上で静止している。石英シリンダ436上のそのコーティングは、強度の測定値を損なうおそれがある外部源からの放射を遮断するバッフルとして作用する。石英シリンダ436の底部は、複数のボールベアリング437上に静止している環状の上部ベアリング441によって保持され、そしてそれらのボールベアリングは、動かない環状の下部ベアリングレース439の中に保持されている。いくつかの実施形態では、ボールベアリング437は鋼製であり、稼働中に粒子状物質が形成されるのを抑制するために窒化ケイ素でコーティングされている。上部ベアリング441は、シリンダ436、端部リング434および基板200を熱処理中に回転させるアクチュエータ(図示せず)に磁気的に結合される。
パージリング445は、チャンバ本体にはめ込まれているが、石英シリンダ436を取り囲んでいる。いくつかの実施形態では、パージリング445は、上部ベアリング441の上の領域まで開いた内部環状空洞447を有している。その内部空洞447は、通路449を介してガス供給源(図示せず)に接続されている。処理中に、パージガスは、パージリング445を通ってチャンバに流れ込む。
処理中に、プロセスガスは、ガスパネル(図示せず)から流れ、注出口430でプロセスチャンバ400に入ることができる。注出口430は、プロセスチャンバの400の側面に配置され、基板200の表面にわたるプロセスガスの流れを促進する。プロセスガスの流れを側面に入口がある場合に制限する必要はなく、他の実施形態も可能である。例えば、ランプヘッド401が基板(図示せず)の下に配置されている実施形態では、プロセスガスを基板に流すために、注出口430を基板(図示せず)の上に配置することができる。いくつかの実施形態では、半径方向の場所など、基板に対して互いに異なる場所で、プロセスガスを交互にまたは一緒に導入することもできる。プロセスガスは流量を場所ごとに変える(または流量を各場所で独立に制御する)ことができ、基板にわたる冷却の効果を調節することが可能になる。ガスは、プロセスチャンバの、注出口430とは反対の側の側壁に配置された排出口460から排出される。排出口460は真空ポンプ(図示せず)に結合される。
いくつかの実施形態では、支持リング434は、石英シリンダ436を越えて外まで延在するように、石英シリンダ436の半径より大きい外径を有する。その下に設置されているパージリング445と協働して、シリンダ436を越えて支持リング434が環状に延在することは、基板200の裏面で迷光が反射空洞418に入るのを防止するバッフルとして機能する。迷光が反射空洞418内に入り込む可能性をさらに減少させるために、ランプヘッド401により発した放射を吸収する材料(例えば、黒色または灰色の材料)で、支持リング434およびパージリング445をコーティングしてもよい。
基板支持体408は、ランプヘッド401に対して基板を上昇および下降させることができるリフト機構455に結合されてもよい。例えば、基板支持体408は、リフト運動(すなわち、運動206)の間、基板200と反射板402の間の距離が一定になるように、リフト機構455に結合されてもよい。
あるいは(図示せず)、基板支持体408は、磁気的に浮上しプロセスチャンバ300内で回転するようになされていてもよい。基板支持体408は、回転しながら処理中に垂直に上昇および下降することができ、処理前、処理中、または処理後に回転することなく上昇または下降することもできる。この磁気的な浮上および/または磁気的な回転により、基板支持体を上昇/下降および/または回転するために通常必要な可動部分がなくなるかまたは少なくなるため、粒子の生成が防止または最小限に抑えられる。
このように、本明細書では、基板を冷却する方法を提供する。その冷却方法は、急速熱処理(RTP)(スパイクRTPなど)の一部であってもよい。その冷却方法により、RTPアニール中に基板がピーク温度の付近にある滞留時間が好適に減少する。滞留時間を減少させることは、例えば、基板に注入したドーパントを活性化し注入のプロセスによる基板の損傷を修復しながらドーパントの拡散を制限するために有益である。
上記は本発明の実施形態に関するが、本発明の基本的範囲から逸脱することなく本発明の他のさらなる実施形態を構成することができる。
Claims (15)
- 基板の冷却方法であって、
導入温度から約摂氏900度より高いピーク温度まで、プロセスチャンバ内で基板を加熱することと、
前記基板の上面に直交する方向に少なくとも約3ミリメートル/秒の速度で前記基板を移動させることによって、前記ピーク温度の約摂氏50度以内から前記基板を冷却することと
を含む方法。 - 前記基板を加熱することが、
前記導入温度から第1の温度まで、第1の加熱速度で、前記プロセスチャンバ内で前記基板を加熱すること、および
前記第1の温度から前記ピーク温度まで、前記第1の加熱速度より高い第2の加熱速度で前記基板を加熱すること
をさらに含み、
前記基板を冷却することが、
前記基板の上面に直交する方向に少なくとも約3ミリメートル/秒の速度で前記基板を移動させることによって、前記ピーク温度の約摂氏50度以内から第2の温度まで第1の冷却速度で前記基板を冷却すること、および
前記第2の温度から最終温度まで、前記第1の冷却速度より低い第2の冷却速度で前記基板を冷却すること
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記導入温度と前記最終温度が約摂氏25度〜約摂氏600度の間にある、請求項2に記載の方法。
- 前記基板を冷却することが、
前記基板を冷却するのに利用される冷却板に向けて前記基板を移動させること
をさらに含む、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記基板を冷却することが、
前記冷却板から第1の距離だけ離れた第1の位置に前記基板を移動させること、および
前記冷却板から前記第1の距離より大きな第2の距離だけ離れている第2の位置に、引き続き前記基板を移動させること
をさらに含む、請求項4に記載の方法。 - 前記冷却板が、前記基板の、前記基板を加熱するのに使用されるエネルギー源とは反対の側に配置される、請求項4に記載の方法。
- 基板を加熱することが、
前記基板の下に配置されているエネルギー源で前記基板を加熱すること
を含む、請求項6に記載の方法。 - 前記基板を冷却することが、
前記プロセスチャンバの上面から第1の距離だけ離れた第1の位置に前記基板を移動させること、および
前記プロセスチャンバの前記上面から前記第1の距離より大きな第2の距離だけ離れている第2の位置に、引き続き前記基板を移動させること
をさらに含む、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記第1の距離が前記プロセスチャンバの前記上面から約1〜約3mmであり、前記第2の距離が前記プロセスチャンバの前記上面から少なくとも約6mmである、請求項8に記載の方法。
- 前記基板を移動させることによって前記基板を冷却することが、
前記基板の上面に直交する方向に最大約10ミリメートル/秒の速度で前記基板を移動させることによって、前記ピーク温度の近くから前記基板を冷却すること
をさらに含む、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記基板を冷却することが、
前記基板の前記上面に直交する方向に最大約50ミリメートル/秒の速度で前記基板を移動させることによって、前記ピーク温度の近くから前記基板を冷却すること
をさらに含む、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記基板を移動させることが、前記基板と前記プロセスチャンバの上面との間に配されているガスの流量を、約40slmを超えるまで増加させることを含む、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記基板を加熱することが、
前記基板の前記上面に隣接する断熱流体境界層を形成するプロセスガスを前記基板の前記上面の上に流すこと
をさらに含み、
前記基板を移動させることによって前記基板を冷却することが、
前記断熱流体境界層をかき乱すこと
をさらに含む、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記基板を移動させることによって前記基板を冷却することが、
冷却中に前記基板の全域で温度分布を調整するように独立に制御した流量で、前記基板の面に対し、互いに異なる複数の場所からプロセスガスを流すことによって、前記基板の前記上面に隣接して配された断熱流体境界層をかき乱すこと
をさらに含む、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ピーク温度より約摂氏50度下から前記基板を加熱することと、前記ピーク温度より約摂氏50度下まで前記基板を冷却することとの間の滞留時間が、約0.6秒未満である、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の方法。
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