JP2019165157A - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板に注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させて活性化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】不純物が注入された半導体ウェハーにハロゲンランプから光照射を行って半導体ウェハーを目標温度T1にまで昇温する。続いて、ハロゲンランプからの光照射を継続して半導体ウェハーを目標温度T1に所定時間維持することにより、不純物を規定の深さにまで精度良く拡散させる。その後、ハロゲンランプを消灯またはハロゲンランプから照射される光の強度を低下させることによって半導体ウェハーを目標温度から降温させる。半導体ウェハーが降温している途中で半導体ウェハーの表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射することによって、不純物のさらなる拡散を完全に抑制しつつ不純物の活性化のみを行う。【選択図】図8
Description
本発明は、不純物が注入された半導体ウェハー等の薄板状精密電子基板(以下、単に「基板」と称する)に光を照射することによって該基板を加熱して不純物を活性化させる熱処理方法および熱処理装置に関する。
半導体デバイスの製造プロセスにおいて、不純物導入は半導体ウェハー内にpn接合を形成するための必須の工程である。現在、不純物導入は、イオン打ち込み法とその後のアニール法によってなされるのが一般的である。イオン打ち込み法は、ボロン(B)、ヒ素(As)、リン(P)といった不純物の元素をイオン化させて高加速電圧で半導体ウェハーに衝突させて物理的に不純物注入を行う技術である。注入された不純物はアニール処理によって活性化される。この際に、アニール時間が数秒程度以上であると、打ち込まれた不純物が熱によって深く拡散し、その結果接合深さが要求よりも深くなり過ぎて良好なデバイス形成に支障が生じるおそれがある。
そこで、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱するアニール技術として、近年フラッシュランプアニール(FLA)が注目されている。フラッシュランプアニールは、キセノンフラッシュランプ(以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する)を使用して半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射することにより、不純物が注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間(数ミリ秒以下)に昇温させる熱処理技術である。
キセノンフラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、キセノンフラッシュランプから半導体ウェハーにフラッシュ光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリ秒以下の極めて短時間のフラッシュ光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。このため、キセノンフラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、不純物を深く拡散させることなく、不純物活性化のみを実行することができるのである。
特許文献1には、処理チャンバーの下方に配置されたハロゲンランプによって半導体ウェハーを予備加熱した後、処理チャンバーの上方に配置された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を照射するフラッシュランプアニール装置が開示されている。特許文献1に開示の装置では、不純物が注入された半導体ウェハーをハロゲンランプによって所定の予備加熱温度に昇温している状態でフラッシュ光を照射することによってウェハー表面を瞬間的に1000℃以上の処理温度に昇温して不純物を活性化している。
ところで、近年は半導体デバイスの微細化がますます進展してきており、不純物を僅かでも過度に深く拡散させることは望ましくない。特許文献1に開示のように、予備加熱温度に昇温している半導体ウェハーにフラッシュ光を照射すると、極短時間のフラッシュ光照射であっても不純物が若干は拡散することがあった。その一方、不純物を必要な領域にまで拡散させることは必要である。すなわち、注入された不純物を半導体デバイスの設計値通りに正確に拡散させることが要求されているのである。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板に注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させて活性化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、不純物が注入された基板に光を照射することによって該基板を加熱して前記不純物を活性化させる熱処理方法において、連続点灯ランプからの光照射によって前記基板を目標温度にまで昇温する昇温工程と、前記連続点灯ランプからの光照射によって前記基板を前記目標温度に所定時間維持する温度維持工程と、前記連続点灯ランプを消灯または前記連続点灯ランプから照射される光の強度を低下させることによって前記基板を前記目標温度から降温する降温工程と、を備え、前記降温工程の途中にてフラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射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、前記目標温度は、750℃以上900℃以下であることを特徴とする。
また、請求項3の発明は、請求項2の発明に係る熱処理方法において、前記温度維持工程では、前記基板を前記目標温度に1秒以上4秒以下維持することを特徴とする。
また、請求項4の発明は、不純物が注入された基板に光を照射することによって該基板を加熱して前記不純物を活性化させる熱処理装置において、前記基板を収容するチャンバーと、前記チャンバーに収容された前記基板に光を照射して目標温度に加熱する連続点灯ランプと、前記チャンバーに収容された前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記連続点灯ランプおよび前記フラッシュランプの発光を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記連続点灯ランプからの光照射によって前記目標温度にまで昇温した前記基板を前記目標温度に所定時間維持した後、前記連続点灯ランプを消灯または前記連続点灯ランプから照射される光の強度を低下させることによって前記基板を前記目標温度から降温している途中で前記基板にフラッシュ光を照射するように前記連続点灯ランプおよび前記フラッシュランプの発光を制御することを特徴とする。
また、請求項5の発明は、請求項4の発明に係る熱処理装置において、前記目標温度は、750℃以上900℃以下であることを特徴とする。
また、請求項6の発明は、請求項5の発明に係る熱処理装置において、前記制御部は、前記基板を前記目標温度に1秒以上4秒以下維持することを特徴とする。
請求項1から請求項3の発明によれば、連続点灯ランプからの光照射によって基板を目標温度にまで昇温して所定時間維持して基板に注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させた後、基板が目標温度から降温している途中にてフラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射しているため、規定の深さにまで拡散した不純物のさらなる拡散を完全に抑制しつつ不純物を活性化することができる。
請求項4から請求項6の発明によれば、連続点灯ランプからの光照射によって基板を目標温度にまで昇温して所定時間維持して基板に注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させた後、基板が目標温度から降温している途中にてフラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射しているため、規定の深さにまで拡散した不純物のさらなる拡散を完全に抑制しつつ不純物を活性化することができる。
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。
図1は、本発明に係る熱処理装置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(本実施形態ではφ300mm)。熱処理装置1に搬入される前の半導体ウェハーWには不純物が注入されており、熱処理装置1による加熱処理によって注入された不純物の拡散および活性化処理が実行される。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を加熱する光照射部である。
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。例えば、制御部3は、ハロゲンランプHLおよびフラッシュランプFLの発光を制御する。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、熱処理装置1における半導体ウェハーWの処理手順について説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーWはイオン注入法によりボロン(B)、ヒ素(As)、リン(P)等の不純物(イオン)が添加されたシリコンの半導体基板である。その不純物の拡散および活性化が熱処理装置1による加熱処理により実行される。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、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を介して不純物注入後の半導体ウェハー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、パターン形成がなされて不純物が注入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8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が一斉に点灯して半導体ウェハーWの加熱が開始される。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半導体ウェハーWが急速加熱されてウェハー温度が上昇する。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の温度が所定の目標温度T1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の温度が目標温度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。目標温度T1は、750℃以上900℃以下である。
時刻t2に半導体ウェハーWの温度が目標温度T1に到達した後、制御部3は半導体ウェハーWの温度がその目標温度T1を維持するようにハロゲンランプHLの出力を調整する。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の温度は目標温度T1に時刻t3まで維持される。半導体ウェハーWの温度が目標温度T1に維持される時刻t2から時刻t3までの時間は1秒以上4秒以下である。なお、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を目標温度T1にまで昇温する時刻t1から時刻t2までが昇温工程であり、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を目標温度T1に維持する時刻t2から時刻t3までが温度維持工程である。
時刻t2から時刻t3まで半導体ウェハーWを目標温度T1に維持するソーク処理を実行することによって、半導体ウェハーWの表面に注入されていた不純物が拡散する。この温度維持工程では、半導体デバイスの設計値に従った規定の深さにまで不純物を正確に拡散させることが求められる。シリコン中における拡散係数は不純物の種類によって異なるため、不純物の種類と不純物拡散が必要とされる深さによって目標温度T1および時刻t2から時刻t3までの温度維持時間が決定される。ハロゲンランプHLの発光時間および発光出力の制御は比較的容易であり、半導体ウェハーWの温度を目標温度T1に時刻t2から時刻t3まで正確に維持することによって、注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させることができる。
次に、時刻t3にハロゲンランプHLが消灯する。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の温度が目標温度T1から降温する。すなわち、半導体ウェハーWの温度が目標温度T1から降温する時刻t3以降が降温工程である。
本実施形態では、降温工程の途中の時刻t4にフラッシュ加熱部5のフラッシュランプFLから半導体ウェハーWにフラッシュ光を照射する。フラッシュランプFLから放射されたフラッシュ光はサセプタ74に保持された半導体ウェハーWの表面に照射される。フラッシュ光を照射する時刻t4での半導体ウェハーWの温度T2は例えば600℃以下である。
フラッシュランプFLから半導体ウェハーWに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。このようなフラッシュ光が時刻t4に半導体ウェハーWの表面に照射されることによって、当該表面が瞬間的に加熱されるフラッシュ加熱が実行される。フラッシュ加熱される半導体ウェハーWの表面温度は、瞬間的に活性化温度T3にまで上昇した後、急速に下降する。半導体ウェハーWの表面温度が瞬間的に活性化温度T3にまで昇温することによって、当該表面に注入されていた不純物が活性化する。なお、典型的には、活性化温度T3は目標温度T1よりも高温である。
ここで重要なことは、フラッシュ加熱時には不純物の活性化のみを行って不純物を僅かでも拡散させないことである。すなわち、上記の温度維持工程にて半導体ウェハーWの温度を目標温度T1に時刻t2から時刻t3まで維持することによって、注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させており、それ以上僅かでも不純物が拡散すると接合深さが要求よりも深くなり過ぎてデバイス特性が低下することとなる。本実施形態では、半導体ウェハーWの温度が目標温度T1から降温する降温工程の途中で半導体ウェハーWの表面にフラッシュ光を照射しているため、不純物の拡散を完全に抑制しつつ不純物の活性化のみを行うことができる。
フラッシュ加熱が終了した後、半導体ウェハーWの温度がさらに降温する。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。
本実施形態においては、不純物が注入された半導体ウェハーWにハロゲンランプHLから光照射を行い、その半導体ウェハーWを目標温度T1に昇温し、さらに時刻t2から時刻t3まで目標温度T1に正確に維持することによって、注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させている。そして、ハロゲンランプHLを消灯し、半導体ウェハーWの温度が目標温度T1から降温する降温工程の途中で半導体ウェハーWの表面にフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射している。
ここで仮に、半導体ウェハーWが目標温度T1に昇温している状態でフラッシュ光照射を行うと、そのフラッシュ光照射によるフラッシュ加熱によっても不純物が若干拡散する。そうすると、規定の深さに精度良く拡散されている不純物が規定の深さを超えてさらに拡散し、その結果所望の接合深さが得られないこととなる。
そこで、本実施形態においては、半導体ウェハーWの温度が目標温度T1から降温する降温工程の途中で半導体ウェハーWの表面にフラッシュ光を照射することによって、不純物の拡散を完全に抑制しつつ不純物の活性化のみを行っている。これにより、半導体ウェハーWに注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させて活性化することができる。
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、時刻t3以降の降温工程でハロゲンランプHLを消灯させていたが、これに代えて、ハロゲンランプHLから照射される光の強度を低下させることによって半導体ウェハーWを目標温度T1から降温するようにしても良い。
また、処理対象となる半導体ウェハーWは、シリコンの半導体基板に限定されるものではなく、ゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウムの半導体基板であっても良い。不純物が注入されたゲルマニウム等の半導体基板にハロゲンランプHLから光照射して所定時間目標温度T1に維持し、その後半導体基板が目標温度T1から降温している途中でフラッシュ光を照射すれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、本発明に係る技術はポリシリコンのゲート電極が形成された半導体基板に適用するようにしても良い。すなわち、電界効果トランジスタ(FET)のゲート電極としてポリシリコンを成膜し、そのポリシリコンゲート電極に不純物を注入した半導体基板にハロゲンランプHLから光照射して所定時間目標温度T1に維持して不純物をゲート電極中に拡散させる。その後、半導体基板が目標温度T1から降温している途中でフラッシュランプFLからフラッシュ光を照射して不純物を活性化させる。
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の加熱を行っていたが、これに限定されるものではない。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、アークランプからの光照射によって半導体ウェハーWを目標温度T1に昇温して維持するようにしても良い。
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
20 放射温度計
63 上側チャンバー窓
64 下側チャンバー窓
65 熱処理空間
74 サセプタ
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
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
20 放射温度計
63 上側チャンバー窓
64 下側チャンバー窓
65 熱処理空間
74 サセプタ
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 (6)
- 不純物が注入された基板に光を照射することによって該基板を加熱して前記不純物を活性化させる熱処理方法であって、
連続点灯ランプからの光照射によって前記基板を目標温度にまで昇温する昇温工程と、
前記連続点灯ランプからの光照射によって前記基板を前記目標温度に所定時間維持する温度維持工程と、
前記連続点灯ランプを消灯または前記連続点灯ランプから照射される光の強度を低下させることによって前記基板を前記目標温度から降温する降温工程と、
を備え、
前記降温工程の途中にてフラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射することを特徴とする熱処理方法。 - 請求項1記載の熱処理方法において、
前記目標温度は、750℃以上900℃以下であることを特徴とする熱処理方法。 - 請求項2記載の熱処理方法において、
前記温度維持工程では、前記基板を前記目標温度に1秒以上4秒以下維持することを特徴とする熱処理方法。 - 不純物が注入された基板に光を照射することによって該基板を加熱して前記不純物を活性化させる熱処理装置であって、
前記基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバーに収容された前記基板に光を照射して目標温度に加熱する連続点灯ランプと、
前記チャンバーに収容された前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
前記連続点灯ランプおよび前記フラッシュランプの発光を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記連続点灯ランプからの光照射によって前記目標温度にまで昇温した前記基板を前記目標温度に所定時間維持した後、前記連続点灯ランプを消灯または前記連続点灯ランプから照射される光の強度を低下させることによって前記基板を前記目標温度から降温している途中で前記基板にフラッシュ光を照射するように前記連続点灯ランプおよび前記フラッシュランプの発光を制御することを特徴とする熱処理装置。 - 請求項4記載の熱処理装置において、
前記目標温度は、750℃以上900℃以下であることを特徴とする熱処理装置。 - 請求項5記載の熱処理装置において、
前記制御部は、前記基板を前記目標温度に1秒以上4秒以下維持することを特徴とする熱処理装置。
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