JP2019149521A - 熱処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ポリシリコンを低抵抗化することができる熱処理方法を提供する。【解決手段】電界効果トランジスタを製造するための半導体ウェハーの表面には、ポリシリコンのゲート電極が形成されている。そのポリシリコンにはドーパントが注入されている。ハロゲンランプからの光照射によって半導体ウェハーの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後、直ちにフラッシュランプから半導体ウェハーの表面にフラッシュ光照射を行い、その後直ちにハロゲンランプを消灯する。ポリシリコンのゲート電極を含む半導体ウェハーの表面が予備加熱温度Ｔ１以上に加熱されている時間は短く、ポリシリコンの粒成長を抑制することができる。その結果、ポリシリコンの結晶粒界が低減することも抑制され、粒界を経由してのドーパントの拡散も十分に可能となり、ポリシリコンを低抵抗化することができる。【選択図】図９

Description

本発明は、ゲート電極等に用いられるドーパントが注入されたポリシリコンを加熱する熱処理方法に関する。
従来より、電界効果トランジスタのゲート電極の材料としてポリシリコンが用いられている（例えば、特許文献１参照）。電界効果トランジスタのデバイス特性を高めるためには、ポリシリコンで形成されたゲート電極の抵抗値を適切に制御して低抵抗化することが重要となる。ポリシリコンにボロン（Ｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）等のドーパントを注入し、加熱処理によってそのドーパントを拡散させて活性化することにより、ポリシリコンの低抵抗化を実現することが可能となる。
特開２００８−２７７４２０号公報
しかしながら、多結晶のポリシリコンに加熱処理を行うと、シリコンの結晶粒が成長して粗大化する。そうすると、結晶粒界が少なくなり、粒界を経由してのドーパントの拡散が阻害されることとなる。ドーパントの拡散が阻害されると、ポリシリコンの低抵抗化は困難となる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ポリシリコンを低抵抗化することができる熱処理方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、ドーパントが注入されたポリシリコンを加熱する熱処理方法において、ドーパントが注入されたポリシリコンが形成された基板に連続点灯ランプから光を照射して当該基板を第１の温度に加熱する予備加熱工程と、前記基板が前記第１の温度に到達した後、直ちに前記基板を前記第１の温度よりも高温の第２の温度に１秒未満加熱するミリセカンドアニール工程と、を備え、前記ミリセカンドアニール工程の後、直ちに前記連続点灯ランプを消灯することを特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理方法において、前記基板が前記第１の温度に到達した後、１秒以内に前記ミリセカンドアニール工程を実行することを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る熱処理方法において、前記ミリセカンドアニール工程の後、１秒以内に前記連続点灯ランプを消灯することを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記ミリセカンドアニール工程での前記基板の加熱時間は１００ナノセカンド以上１００ミリセカンド以下であること特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記ミリセカンドアニール工程では、フラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射して前記基板を加熱することを特徴とする。
請求項１から請求項５の発明によれば、ドーパントが注入されたポリシリコンが形成された基板に連続点灯ランプから光を照射し、当該基板を第１の温度に到達した後、直ちに当該基板を第１の温度よりも高温の第２の温度に１秒未満加熱し、その後直ちに連続点灯ランプを消灯するため、ポリシリコンが第１の温度以上に加熱されている時間は短く、ポリシリコンの結晶が粒成長して粒界が減少するのを抑制してドーパントを十分に拡散させることができ、ポリシリコンを低抵抗化することができる。
本発明に係る熱処理方法を実施する際に使用する熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 保持部の全体外観を示す斜視図である。 サセプタの平面図である。 サセプタの断面図である。 移載機構の平面図である。 移載機構の側面図である。 複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。 熱処理装置に搬入されて処理される半導体ウェハーに形成されたデバイス構造を模式的に示す図である。 半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。
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。
まず、本発明に係る熱処理方法を実施するための熱処理装置について説明する。図１は、本発明に係る熱処理方法を実施する際に使用する熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。図１の熱処理装置１は、基板として円板形状の半導体ウェハーＷに対してフラッシュ光照射を行うことによってその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍである。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するフラッシュ加熱部５と、複数のハロゲンランプＨＬを内蔵するハロゲン加熱部４と、を備える。チャンバー６の上側にフラッシュ加熱部５が設けられるとともに、下側にハロゲン加熱部４が設けられている。また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に保持する保持部７と、保持部７と装置外部との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う移載機構１０と、を備える。さらに、熱処理装置１は、ハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。
チャンバー６は、筒状のチャンバー側部６１の上下に石英製のチャンバー窓を装着して構成されている。チャンバー側部６１は上下が開口された概略筒形状を有しており、上側開口には上側チャンバー窓６３が装着されて閉塞され、下側開口には下側チャンバー窓６４が装着されて閉塞されている。チャンバー６の天井部を構成する上側チャンバー窓６３は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュ加熱部５から出射されたフラッシュ光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、チャンバー６の床部を構成する下側チャンバー窓６４も、石英により形成された円板形状部材であり、ハロゲン加熱部４からの光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。
また、チャンバー側部６１の内側の壁面の上部には反射リング６８が装着され、下部には反射リング６９が装着されている。反射リング６８，６９は、ともに円環状に形成されている。上側の反射リング６８は、チャンバー側部６１の上側から嵌め込むことによって装着される。一方、下側の反射リング６９は、チャンバー側部６１の下側から嵌め込んで図示省略のビスで留めることによって装着される。すなわち、反射リング６８，６９は、ともに着脱自在にチャンバー側部６１に装着されるものである。チャンバー６の内側空間、すなわち上側チャンバー窓６３、下側チャンバー窓６４、チャンバー側部６１および反射リング６８，６９によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。
チャンバー側部６１に反射リング６８，６９が装着されることによって、チャンバー６の内壁面に凹部６２が形成される。すなわち、チャンバー側部６１の内壁面のうち反射リング６８，６９が装着されていない中央部分と、反射リング６８の下端面と、反射リング６９の上端面とで囲まれた凹部６２が形成される。凹部６２は、チャンバー６の内壁面に水平方向に沿って円環状に形成され、半導体ウェハーＷを保持する保持部７を囲繞する。チャンバー側部６１および反射リング６８，６９は、強度と耐熱性に優れた金属材料（例えば、ステンレススチール）にて形成されている。
また、チャンバー側部６１には、チャンバー６に対して半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部（炉口）６６が形設されている。搬送開口部６６は、ゲートバルブ１８５によって開閉可能とされている。搬送開口部６６は凹部６２の外周面に連通接続されている。このため、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を開放しているときには、搬送開口部６６から凹部６２を通過して熱処理空間６５への半導体ウェハーＷの搬入および熱処理空間６５からの半導体ウェハーＷの搬出を行うことができる。また、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を閉鎖するとチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。
さらに、チャンバー側部６１には、貫通孔６１ａが穿設されている。チャンバー側部６１の外壁面の貫通孔６１ａが設けられている部位には放射温度計２０が取り付けられている。貫通孔６１ａは、後述するサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を放射温度計２０に導くための円筒状の孔である。貫通孔６１ａは、その貫通方向の軸がサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの主面と交わるように、水平方向に対して傾斜して設けられている。貫通孔６１ａの熱処理空間６５に臨む側の端部には、放射温度計２０が測定可能な波長領域の赤外光を透過させるフッ化バリウム材料からなる透明窓２１が装着されている。
また、チャンバー６の内壁上部には熱処理空間６５に処理ガスを供給するガス供給孔８１が形設されている。ガス供給孔８１は、凹部６２よりも上側位置に形設されており、反射リング６８に設けられていても良い。ガス供給孔８１はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８２を介してガス供給管８３に連通接続されている。ガス供給管８３は処理ガス供給源８５に接続されている。また、ガス供給管８３の経路途中にはバルブ８４が介挿されている。バルブ８４が開放されると、処理ガス供給源８５から緩衝空間８２に処理ガスが送給される。緩衝空間８２に流入した処理ガスは、ガス供給孔８１よりも流体抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れてガス供給孔８１から熱処理空間６５内へと供給される。処理ガスとしては、例えば窒素（Ｎ２）等の不活性ガス、または、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）等の反応性ガス、或いはそれらを混合した混合ガスを用いることができる（本実施形態では窒素ガス）。
一方、チャンバー６の内壁下部には熱処理空間６５内の気体を排気するガス排気孔８６が形設されている。ガス排気孔８６は、凹部６２よりも下側位置に形設されており、反射リング６９に設けられていても良い。ガス排気孔８６はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８７を介してガス排気管８８に連通接続されている。ガス排気管８８は排気部１９０に接続されている。また、ガス排気管８８の経路途中にはバルブ８９が介挿されている。バルブ８９が開放されると、熱処理空間６５の気体がガス排気孔８６から緩衝空間８７を経てガス排気管８８へと排出される。なお、ガス供給孔８１およびガス排気孔８６は、チャンバー６の周方向に沿って複数設けられていても良いし、スリット状のものであっても良い。また、処理ガス供給源８５および排気部１９０は、熱処理装置１に設けられた機構であっても良いし、熱処理装置１が設置される工場のユーティリティであっても良い。
また、搬送開口部６６の先端にも熱処理空間６５内の気体を排出するガス排気管１９１が接続されている。ガス排気管１９１はバルブ１９２を介して排気部１９０に接続されている。バルブ１９２を開放することによって、搬送開口部６６を介してチャンバー６内の気体が排気される。
図２は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。保持部７は、基台リング７１、連結部７２およびサセプタ７４を備えて構成される。基台リング７１、連結部７２およびサセプタ７４はいずれも石英にて形成されている。すなわち、保持部７の全体が石英にて形成されている。
基台リング７１は円環形状から一部が欠落した円弧形状の石英部材である。この欠落部分は、後述する移載機構１０の移載アーム１１と基台リング７１との干渉を防ぐために設けられている。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されることによって、チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図１参照）。基台リング７１の上面に、その円環形状の周方向に沿って複数の連結部７２（本実施形態では４個）が立設される。連結部７２も石英の部材であり、溶接によって基台リング７１に固着される。
サセプタ７４は基台リング７１に設けられた４個の連結部７２によって支持される。図３は、サセプタ７４の平面図である。また、図４は、サセプタ７４の断面図である。サセプタ７４は、保持プレート７５、ガイドリング７６および複数の基板支持ピン７７を備える。保持プレート７５は、石英にて形成された略円形の平板状部材である。保持プレート７５の直径は半導体ウェハーＷの直径よりも大きい。すなわち、保持プレート７５は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。
保持プレート７５の上面周縁部にガイドリング７６が設置されている。ガイドリング７６は、半導体ウェハーＷの直径よりも大きな内径を有する円環形状の部材である。例えば、半導体ウェハーＷの直径がφ３００ｍｍの場合、ガイドリング７６の内径はφ３２０ｍｍである。ガイドリング７６の内周は、保持プレート７５から上方に向けて広くなるようなテーパ面とされている。ガイドリング７６は、保持プレート７５と同様の石英にて形成される。ガイドリング７６は、保持プレート７５の上面に溶着するようにしても良いし、別途加工したピンなどによって保持プレート７５に固定するようにしても良い。或いは、保持プレート７５とガイドリング７６とを一体の部材として加工するようにしても良い。
保持プレート７５の上面のうちガイドリング７６よりも内側の領域が半導体ウェハーＷを保持する平面状の保持面７５ａとされる。保持プレート７５の保持面７５ａには、複数の基板支持ピン７７が立設されている。本実施形態においては、保持面７５ａの外周円（ガイドリング７６の内周円）と同心円の周上に沿って３０°毎に計１２個の基板支持ピン７７が立設されている。１２個の基板支持ピン７７を配置した円の径（対向する基板支持ピン７７間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、半導体ウェハーＷの径がφ３００ｍｍであればφ２７０ｍｍ〜φ２８０ｍｍ（本実施形態ではφ２７０ｍｍ）である。それぞれの基板支持ピン７７は石英にて形成されている。複数の基板支持ピン７７は、保持プレート７５の上面に溶接によって設けるようにしても良いし、保持プレート７５と一体に加工するようにしても良い。
図２に戻り、基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプタ７４の保持プレート７５の周縁部とが溶接によって固着される。すなわち、サセプタ７４と基台リング７１とは連結部７２によって固定的に連結されている。このような保持部７の基台リング７１がチャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７がチャンバー６に装着される。保持部７がチャンバー６に装着された状態においては、サセプタ７４の保持プレート７５は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。すなわち、保持プレート７５の保持面７５ａは水平面となる。
チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、チャンバー６に装着された保持部７のサセプタ７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。このとき、半導体ウェハーＷは保持プレート７５上に立設された１２個の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。より厳密には、１２個の基板支持ピン７７の上端部が半導体ウェハーＷの下面に接触して当該半導体ウェハーＷを支持する。１２個の基板支持ピン７７の高さ（基板支持ピン７７の上端から保持プレート７５の保持面７５ａまでの距離）は均一であるため、１２個の基板支持ピン７７によって半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持することができる。
また、半導体ウェハーＷは複数の基板支持ピン７７によって保持プレート７５の保持面７５ａから所定の間隔を隔てて支持されることとなる。基板支持ピン７７の高さよりもガイドリング７６の厚さの方が大きい。従って、複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれはガイドリング７６によって防止される。
また、図２および図３に示すように、サセプタ７４の保持プレート７５には、上下に貫通して開口部７８が形成されている。開口部７８は、放射温度計２０が半導体ウェハーＷの下面から放射される放射光（赤外光）を受光するために設けられている。すなわち、放射温度計２０が開口部７８およびチャンバー側部６１の貫通孔６１ａに装着された透明窓２１を介して半導体ウェハーＷの下面から放射された光を受光して当該半導体ウェハーＷの温度を測定する。さらに、サセプタ７４の保持プレート７５には、後述する移載機構１０のリフトピン１２が半導体ウェハーＷの受け渡しのために貫通する４個の貫通孔７９が穿設されている。
図５は、移載機構１０の平面図である。また、図６は、移載機構１０の側面図である。移載機構１０は、２本の移載アーム１１を備える。移載アーム１１は、概ね円環状の凹部６２に沿うような円弧形状とされている。それぞれの移載アーム１１には２本のリフトピン１２が立設されている。移載アーム１１およびリフトピン１２は石英にて形成されている。各移載アーム１１は水平移動機構１３によって回動可能とされている。水平移動機構１３は、一対の移載アーム１１を保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う移載動作位置（図５の実線位置）と保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平面視で重ならない退避位置（図５の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。水平移動機構１３としては、個別のモータによって各移載アーム１１をそれぞれ回動させるものであっても良いし、リンク機構を用いて１個のモータによって一対の移載アーム１１を連動させて回動させるものであっても良い。
また、一対の移載アーム１１は、昇降機構１４によって水平移動機構１３とともに昇降移動される。昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて上昇させると、計４本のリフトピン１２がサセプタ７４に穿設された貫通孔７９（図２，３参照）を通過し、リフトピン１２の上端がサセプタ７４の上面から突き出る。一方、昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて下降させてリフトピン１２を貫通孔７９から抜き取り、水平移動機構１３が一対の移載アーム１１を開くように移動させると各移載アーム１１が退避位置に移動する。一対の移載アーム１１の退避位置は、保持部７の基台リング７１の直上である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されているため、移載アーム１１の退避位置は凹部６２の内側となる。なお、移載機構１０の駆動部（水平移動機構１３および昇降機構１４）が設けられている部位の近傍にも図示省略の排気機構が設けられており、移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気がチャンバー６の外部に排出されるように構成されている。
図１に戻り、チャンバー６の上方に設けられたフラッシュ加熱部５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、を備えて構成される。また、フラッシュ加熱部５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。フラッシュ加熱部５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状の石英窓である。フラッシュ加熱部５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３が上側チャンバー窓６３と相対向することとなる。フラッシュランプＦＬはチャンバー６の上方からランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３を介して熱処理空間６５にフラッシュ光を照射する。
複数のフラッシュランプＦＬ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保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。複数のフラッシュランプＦＬが配列される領域は半導体ウェハーＷの平面サイズよりも大きい。
キセノンフラッシュランプＦＬ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円筒形状のガラス管（放電管）と、該ガラス管の外周面上に付設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、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても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、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。このようなキセノンフラッシュランプＦＬにおいては、予めコンデンサーに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１００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、ハロゲンランプＨＬの如き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。すなわち、フラッシュランプＦＬは、１秒未満の極めて短い時間で瞬間的に発光するパルス発光ランプである。なお、フラッシュランプＦＬの発光時間は、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源のコイル定数によって調整することができる。
また、リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光を熱処理空間６５の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されている。
チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４は、筐体４１の内側に複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを内蔵している。ハロゲン加熱部４は、複数のハロゲンランプＨＬによってチャンバー６の下方から下側チャンバー窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する。
図７は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。４０本のハロゲンランプＨＬは上下２段に分けて配置されている。保持部７に近い上段に２０本のハロゲンランプＨＬが配設されるとともに、上段よりも保持部７から遠い下段にも２０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。各ハロゲンランプＨＬは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに２０本のハロゲンランプＨＬは、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように配列されている。よって、上段、下段ともにハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面は水平面である。
また、図７に示すように、上段、下段ともに保持部７に保持される半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域におけるハロゲンランプＨＬの配設密度が高くなっている。すなわち、上下段ともに、ランプ配列の中央部よりも周縁部の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、ハロゲン加熱部４からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。
また、上段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群と下段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向と下段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向とが互いに直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。
ハロゲンランプＨＬは、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管の内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素（ヨウ素、臭素等）を微量導入した気体が封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプＨＬは、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特性を有する。すなわち、ハロゲンランプＨＬは少なくとも１秒以上連続して発光する連続点灯ランプである。また、ハロゲンランプＨＬは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプＨＬを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウェハーＷへの放射効率が優れたものとなる。
また、ハロゲン加熱部４の筐体４１内にも、２段のハロゲンランプＨＬの下側にリフレクタ４３が設けられている（図１）。リフレクタ４３は、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光を熱処理空間６５の側に反射する。
制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行う回路であるＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えている。制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって熱処理装置１における処理が進行する。
上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから発生する熱エネルギーによるハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲン加熱部４およびフラッシュ加熱部５は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓６３とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部５および上側チャンバー窓６３を冷却する。
次に、本発明に係る熱処理方法について説明する。図８は、熱処理装置１に搬入されて処理される半導体ウェハーＷに形成されたデバイス構造を模式的に示す図である。本実施形態においては、半導体ウェハーＷに電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field effect transistor）が形成されている。シリコン（Ｓｉ）の基材１０１上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）のゲート絶縁膜１０５が成膜され、そのゲート絶縁膜１０５上にポリシリコンのゲート電極１０８が形成されている。ゲート電極１０８の両側方には、ＳｉＮのサイドウォール１０６が設けられている。また、基材１０１にはソース領域１０２とドレイン領域１０３とが形成されている。ソース領域１０２とドレイン領域１０３との間のチャネルの上にゲート電極１０８が形成される。基材１０１は単結晶のシリコンであるのに対して、ゲート電極１０８はポリシリコン（多結晶シリコン）にて形成されている。ポリシリコンは、結晶方位が異なる多数のシリコン結晶粒の集合体である。
熱処理装置１に搬入されるよりも前の工程にて半導体ウェハーＷには図８に示すようなデバイス構造が形成されており、ポリシリコンのゲート電極１０８にはボロン、ヒ素、リン等のドーパントが注入されている。そして、熱処理装置１ではゲート電極１０８に注入されたドーパントを拡散させて活性化する。以下、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理について説明する。以下に説明する熱処理装置１の処理手順は、制御部３が熱処理装置１の各動作機構を制御することにより進行する。
まず、半導体ウェハーＷの搬入に先立って給気のためのバルブ８４が開放されるとともに、排気用のバルブ８９，１９２が開放されてチャンバー６内に対する給排気が開始される。バルブ８４が開放されると、ガス供給孔８１から熱処理空間６５に窒素ガスが供給される。また、バルブ８９が開放されると、ガス排気孔８６からチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の上部から供給された窒素ガスが下方へと流れ、熱処理空間６５の下部から排気される。
また、バルブ１９２が開放されることによって、搬送開口部６６からもチャンバー６内の気体が排気される。さらに、図示省略の排気機構によって移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気も排気される。なお、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスが熱処理空間６５に継続的に供給されており、その供給量は処理工程に応じて適宜変更される。
続いて、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介して半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される。このときには、半導体ウェハーＷの搬入にともなって装置外部の雰囲気を巻き込むおそれがあるが、チャンバー６には窒素ガスが供給され続けているため、搬送開口部６６から窒素ガスが流出して、そのような外部雰囲気の巻き込みを最小限に抑制することができる。
搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構１０の一対の移載アーム１１が退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が貫通孔７９を通ってサセプタ７４の保持プレート７５の上面から突き出て半導体ウェハーＷを受け取る。このとき、リフトピン１２は基板支持ピン７７の上端よりも上方にまで上昇する。
半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間６５から退出し、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖される。そして、一対の移載アーム１１が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載機構１０から保持部７のサセプタ７４に受け渡されて水平姿勢にて下方より保持される。半導体ウェハーＷは、保持プレート７５上に立設された複数の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。また、半導体ウェハーＷは、ゲート電極１０８等のデバイス構造が形成された表面を上面として保持部７に保持される。複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）と保持プレート７５の保持面７５ａとの間には所定の間隔が形成される。サセプタ７４の下方にまで下降した一対の移載アーム１１は水平移動機構１３によって退避位置、すなわち凹部６２の内側に退避する。
図９は、半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。半導体ウェハーＷの表面にはゲート電極１０８等のデバイス構造が形成されている。よって、図９は、ポリシリコンのゲート電極１０８の温度変化を示す図でもある。半導体ウェハーＷが石英にて形成された保持部７のサセプタ７４によって水平姿勢にて下方より保持された後、時刻ｔ１にハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して予備加熱（アシスト加熱）が開始される。ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された下側チャンバー窓６４およびサセプタ７４を透過して半導体ウェハーＷの下面に照射される。ハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによってゲート電極１０８を含む半導体ウェハーＷの全体が予備加熱されて温度が上昇する。なお、移載機構１０の移載アーム１１は凹部６２の内側に退避しているため、ハロゲンランプＨＬによる加熱の障害となることは無い。
ハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うときには、半導体ウェハーＷの温度が放射温度計２０によって測定されている。すなわち、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から開口部７８を介して放射された赤外光を透明窓２１を通して放射温度計２０が受光して昇温中のウェハー温度を測定する。測定された半導体ウェハーＷの温度は制御部３に伝達される。制御部３は、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度が所定の予備加熱温度Ｔ１（第１の温度）に到達したか否かを監視しつつ、ハロゲンランプＨＬの出力を制御する。すなわち、制御部３は、放射温度計２０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１となるようにハロゲンランプＨＬの出力をフィードバック制御する。予備加熱温度Ｔ１は、２００℃以上７００℃以下、好ましくは３００℃以上５００℃以下である。また、制御部３は、放射温度計２０による測定値に基づいて、予備加熱温度Ｔ１に到達するまでの半導体ウェハーＷの昇温速度が１０℃／秒以上となるようにハロゲンランプＨＬの出力を制御する。
ハロゲンランプＨＬからの光照射によって時刻ｔ２に半導体ウェハーＷの温度が予め設定された予備加熱温度Ｔ１に到達する。そして、時刻ｔ２に半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後、直ちにフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬがサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光照射を行う。具体的には、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達してから１秒以内にフラッシュ光照射を行う。このとき、フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光の一部は直接にチャンバー６内へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ５２により反射されてからチャンバー６内へと向かい、これらのフラッシュ光の照射により半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われる。
フラッシュ加熱は、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光（閃光）照射により行われるため、半導体ウェハーＷの表面温度を短時間で上昇することができる。すなわち、フラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度の極めて短く強い閃光である。極めて照射時間の短いフラッシュ光照射によりフラッシュ加熱される半導体ウェハーＷの表面温度は、瞬間的に処理温度Ｔ２（第２の温度）まで上昇した後、急速に下降する。処理温度Ｔ２は、１１００℃以上１４００℃以下、好ましくは１２００℃以上１３５０℃以下である。フラッシュ光照射時間が１００ミリセカンド以下の極めて短い時間であるため、フラッシュ加熱時における半導体ウェハーＷの加熱時間も１００ミリセカンド以下である。すなわち、フラッシュ加熱は、半導体ウェハーＷの表面を処理温度Ｔ２に１秒未満加熱するミリセカンドアニールである。
ゲート電極１０８等が形成された半導体ウェハーＷの表面を短時間のうちに予備加熱温度Ｔ１から処理温度Ｔ２にまで昇温することにより、ゲート電極１０８に注入されたドーパントが十分に拡散して活性化する。その結果、ポリシリコンのゲート電極１０８を低抵抗化することができる。
次に、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射が完了した後、直ちに４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に消灯する。具体的には、フラッシュ光照射が完了してから１秒以内にハロゲンランプＨＬが消灯する。半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後直ちにフラッシュ光照射を行い、さらにその後直ちにハロゲンランプＨＬを消灯するため、図９に示すように、ほぼ時刻ｔ２にフラッシュ光照射とハロゲンランプＨＬの消灯とを同時に行うこととなる。すなわち、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達するのとほぼ同時に、フラッシュ光照射とハロゲンランプＨＬの消灯とを行っているのである。
ハロゲンランプＨＬが消灯することによって、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１からも急速に降温する。このときの半導体ウェハーＷの降温速度は１０℃／秒以上である。降温中の半導体ウェハーＷの温度は放射温度計２０によって測定され、その測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、放射温度計２０の測定結果より半導体ウェハーＷの温度が所定温度まで降温したか否かを監視する。そして、半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、移載機構１０の一対の移載アーム１１が再び退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２がサセプタ７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷをサセプタ７４から受け取る。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、リフトピン１２上に載置された半導体ウェハーＷが装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの加熱処理が完了する。
既述したように、ポリシリコンのゲート電極１０８を加熱すると、シリコンの結晶粒が成長して粗大化し、結晶粒界が減少するおそれがある。最も、極端な場合には、ポリシリコンが粒成長によって単結晶となると、結晶粒界は消滅することとなる。そうすると、ドーパントの拡散が阻害され、ゲート電極１０８を低抵抗化できなくなる。特に、熱処理装置１にてゲート電極１０８の加熱処理を行う場合には、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱時にシリコンの結晶粒が大きく成長するおそれがある。
そこで、本実施形態においては、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後、直ちにフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光照射を行い、その後直ちにハロゲンランプＨＬを消灯している。すなわち、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達するのとほぼ同時に、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光照射を行うとともに、ハロゲンランプＨＬを消灯しているのである。
このため、ポリシリコンのゲート電極１０８を含む半導体ウェハーＷの表面が予備加熱温度Ｔ１以上に加熱されている時間は短く（長くても２秒以下）、ゲート電極１０８を形成するポリシリコンの結晶粒が大きく成長して粗大化するのを抑制することができる。その結果、ポリシリコンの結晶粒界が低減することも抑制され、粒界を経由してのドーパントの拡散も十分に可能となる。
また、ゲート電極１０８中の結晶粒界を確保しつつ、半導体ウェハーＷの表面を予備加熱温度Ｔ１から比較的高温の処理温度Ｔ２にまで昇温して１秒未満加熱しているため、ゲート電極１０８に注入されたドーパントを十分に拡散させて活性化させることができる。その結果、ポリシリコンのゲート電極１０８を低抵抗化することができ、電界効果トランジスタのデバイス特性を良好なものとすることができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面を予備加熱温度Ｔ１から瞬間的に処理温度Ｔ２にまで昇温していたが、これに限定されるものではない。例えば、フラッシュ加熱に代えて、半導体ウェハーＷの表面にレーザー光を照射して当該表面を予備加熱温度Ｔ１から処理温度Ｔ２にまで昇温するレーザーアニールを行うようにしても良い。レーザーアニールによる半導体ウェハーＷの加熱時間は１００ナノセカンド以上１秒以下である。要するに、予備加熱温度Ｔ１に到達した半導体ウェハーＷの表面を処理温度Ｔ２に１秒未満加熱するミリセカンドアニールを行うようにすれば良い。
また、上記実施形態においては、フラッシュ加熱部５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。また、ハロゲン加熱部４に備えるハロゲンランプＨＬの本数も４０本に限定されるものではなく、任意の数とすることができる。
また、上記実施形態においては、１秒以上連続して発光する連続点灯ランプとしてフィラメント方式のハロゲンランプＨＬを用いて半導体ウェハーＷの予備加熱を行っていたが、これに限定されるものではなく、ハロゲンランプＨＬに代えて放電型のアークランプ（例えば、キセノンアークランプ）を連続点灯ランプとして用いて予備加熱を行うようにしても良い。
また、上記実施形態においては、半導体ウェハーＷの表面に形成されたポリシリコンのゲート電極１０８に本発明に係る熱処理を施して低抵抗化するようにしていたが、これに限定されるものではなく、他の形態のポリシリコンの素子に本発明に係る熱処理方法を適用するようにしても良い。例えば、半導体ウェハーＷの表面に抵抗素子等のポリシリコンの素子を形成し、それに本発明に係る熱処理方法を適用するようにしても良い。
また、ゲート絶縁膜１０５は、二酸化ケイ素よりも比誘電率の高い高誘電率材料を用いた高誘電率ゲート絶縁膜（High-k膜）であっても良い。
１ 熱処理装置
３ 制御部
４ ハロゲン加熱部
５ フラッシュ加熱部
６ チャンバー
７ 保持部
１０ 移載機構
６５ 熱処理空間
７４ サセプタ
７５ 保持プレート
７７ 基板支持ピン
１０１ 基材
１０５ ゲート絶縁膜
１０８ ゲート電極
ＦＬ フラッシュランプ
ＨＬ ハロゲンランプ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (5)

  1. ドーパントが注入されたポリシリコンを加熱する熱処理方法であって、
    ドーパントが注入されたポリシリコンが形成された基板に連続点灯ランプから光を照射して当該基板を第１の温度に加熱する予備加熱工程と、
    前記基板が前記第１の温度に到達した後、直ちに前記基板を前記第１の温度よりも高温の第２の温度に１秒未満加熱するミリセカンドアニール工程と、
    を備え、
    前記ミリセカンドアニール工程の後、直ちに前記連続点灯ランプを消灯することを特徴とする熱処理方法。
  2. 請求項１に記載の熱処理方法において、
    前記基板が前記第１の温度に到達した後、１秒以内に前記ミリセカンドアニール工程を実行することを特徴とする熱処理方法。
  3. 請求項１または請求項２記載の熱処理方法において、
    前記ミリセカンドアニール工程の後、１秒以内に前記連続点灯ランプを消灯することを特徴とする熱処理方法。
  4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記ミリセカンドアニール工程での前記基板の加熱時間は１００ナノセカンド以上１００ミリセカンド以下であること特徴とする熱処理方法。
  5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記ミリセカンドアニール工程では、フラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射して前記基板を加熱することを特徴とする熱処理方法。
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