JP2022079227A - Heat treatment method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、不純物が導入されたシリコンの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する熱処理方法に関する。 The present invention relates to a heat treatment method for heating a thin plate-shaped precision electronic substrate (hereinafter, simply referred to as “substrate”) such as a silicon semiconductor wafer into which impurities have been introduced by irradiating the substrate with light.
半導体デバイスの製造プロセスにおいて、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱する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、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。 In the process of manufacturing a semiconductor device, flash lamp annealing (FLA), which heats a semiconductor wafer in an extremely short time, has attracted attention. Flash lamp annealing uses a xenon flash lamp (hereinafter, simply referred to as "flash lamp" to mean a xenon flash lamp) to irradiate the surface of the semiconductor wafer with flash light, so that only the surface of the semiconductor wafer is extremely exposed. It is a heat treatment technology that raises the temperature in a short time (several milliseconds or less).
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。 The radiation spectral distribution of the xenon flash lamp is from the ultraviolet region to the near infrared region, and the wavelength is shorter than that of the conventional halogen lamp, which is almost the same as the basic absorption band of the silicon semiconductor wafer. Therefore, when the semiconductor wafer is irradiated with the flash light from the xenon flash lamp, the transmitted light is small and the temperature of the semiconductor wafer can be rapidly raised. It has also been found that if the flash light is irradiated for an extremely short time of several milliseconds or less, the temperature can be selectively raised only in the vicinity of the surface of the semiconductor wafer.
このようなフラッシュランプアニールは、極短時間の加熱が必要とされる処理、例えば典型的には半導体ウェハーに注入された不純物の活性化に利用される。特許文献1には、イオン注入法によって不純物を注入したシリコンの半導体ウェハーを予備加熱した後、その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が開示されている。イオン注入法によって不純物が注入された半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射すれば、当該半導体ウェハーの表面を極短時間だけ活性化温度にまで昇温することができ、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。 Such flash lamp annealing is utilized for processes that require very short heating times, such as activation of impurities typically injected into semiconductor wafers. Patent Document 1 discloses that after preheating a silicon semiconductor wafer in which impurities are implanted by an ion implantation method, the surface of the semiconductor wafer is irradiated with flash light from a flash lamp. By irradiating the surface of the semiconductor wafer into which impurities have been implanted by the ion implantation method with flash light, the surface of the semiconductor wafer can be raised to the activation temperature for a very short time without deeply diffusing the impurities. , Only impurity activation can be performed.
しかしながら、不純物が注入された半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射して当該表面を加熱したときに、不純物が外方拡散によって半導体ウェハーから脱離することがある。不純物が外方拡散によって半導体ウェハーから脱離して不純物濃度が低下すると、効率的な活性化が妨げられるという問題が生じる。 However, when the surface of the semiconductor wafer into which impurities are injected is irradiated with flash light to heat the surface, the impurities may be desorbed from the semiconductor wafer by outward diffusion. When impurities are desorbed from the semiconductor wafer by outward diffusion and the impurity concentration is lowered, there arises a problem that efficient activation is hindered.
また、外方拡散によって半導体ウェハーから脱離した不純物はチャンバー内壁に付着するため、チャンバー内の清掃が必要となる。特に、不純物が有害なヒ素(As)であった場合には、安全性を配慮した清掃作業が必要となり、多大な時間およびコストを要することとなる。 In addition, impurities desorbed from the semiconductor wafer by outward diffusion adhere to the inner wall of the chamber, so that the inside of the chamber needs to be cleaned. In particular, when the impurity is harmful arsenic (As), cleaning work in consideration of safety is required, which requires a great deal of time and cost.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、不純物の外方拡散による脱離を防止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。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a heat treatment method capable of preventing desorption of impurities due to outward diffusion.
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、不純物が導入されたシリコンの基板に光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法において、前記基板を酸化雰囲気中にて第1予備加熱温度に加熱する第1予備加熱工程と、前記第1予備加熱温度に加熱されている前記基板に酸化雰囲気中にて光を照射し、前記基板の表面を1秒以下加熱する第1ミリ秒アニール工程と、前記基板を不活性ガス雰囲気中にて第2予備加熱温度に加熱する第2予備加熱工程と、前記第2予備加熱温度に加熱されている前記基板に不活性ガス雰囲気中にて光を照射し、前記基板の表面を1秒以下加熱する第2ミリ秒アニール工程と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the invention of claim 1 is a heat treatment method for heating a silicon substrate into which impurities have been introduced by irradiating the substrate with light, wherein the substrate is first preheated in an oxidizing atmosphere. The first preheating step of heating to a temperature and the first millisecond annealing in which the substrate heated to the first preheating temperature is irradiated with light in an oxidizing atmosphere and the surface of the substrate is heated for 1 second or less. The step, the second preheating step of heating the substrate to the second preheating temperature in the inert gas atmosphere, and the light on the substrate heated to the second preheating temperature in the inert gas atmosphere. It is characterized by comprising a second millisecond annealing step of irradiating with a gas and heating the surface of the substrate for 1 second or less.
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、前記第2ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度は前記第1ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度よりも高温であることを特徴とする。 Further, according to the second aspect of the present invention, in the heat treatment method according to the first aspect, the maximum temperature reached on the surface of the substrate in the second millisecond annealing step is the surface of the substrate in the first millisecond annealing step. It is characterized by being higher than the maximum temperature reached.
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、前記第1ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度は700℃以上1000℃以下であり、前記第2ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度は1000℃以上1250℃以下であることを特徴とする。 Further, according to the third aspect of the present invention, in the heat treatment method according to the second aspect, the maximum temperature reached on the surface of the substrate in the first millisecond annealing step is 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, and the second millisecond. The maximum temperature reached on the surface of the substrate in the second annealing step is 1000 ° C. or higher and 1250 ° C. or lower.
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、前記第1ミリ秒アニール工程では、前記基板の表面にシリコンの酸化膜を形成し、前記第2ミリ秒アニール工程では、前記酸化膜によって前記不純物の外方拡散を抑制しつつ前記不純物を活性化することを特徴とする。
Further, the invention of
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、前記第1ミリ秒アニール工程および前記第2ミリ秒アニール工程は大気圧未満の減圧雰囲気にて行われることを特徴とする。
Further, the invention of
また、請求項6の発明は、請求項1から請求項5のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記第1予備加熱工程および前記第1ミリ秒アニール工程は酸素またはオゾンを含む酸化雰囲気中にて行われ、前記第2予備加熱工程および前記第2ミリ秒アニール工程は窒素を含む不活性ガス雰囲気中にて行われることを特徴とする。 Further, the invention of claim 6 is the heat treatment method according to any one of claims 1 to 5, wherein the first preheating step and the first millisecond annealing step are in an oxidizing atmosphere containing oxygen or ozone. The second preheating step and the second millisecond annealing step are performed in an atmosphere of an inert gas containing nitrogen.
請求項1から請求項6の発明によれば、酸化雰囲気中にて基板の表面を1秒以下加熱した後に、不活性ガス雰囲気中にて基板の表面を1秒以下加熱する第2ミリ秒アニール工程を実行するため、酸化膜が形成されてから第2ミリ秒アニール工程が行われることとなり、酸化膜によって不純物の外方拡散による脱離を防止することができる。 According to the inventions of claims 1 to 6, the surface of the substrate is heated for 1 second or less in an oxidizing atmosphere, and then the surface of the substrate is heated for 1 second or less in an inert gas atmosphere. In order to carry out the step, the second millisecond annealing step is performed after the oxide film is formed, and the oxide film can prevent desorption of impurities due to outward diffusion.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、本発明に係る熱処理方法を実施する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。 First, a heat treatment apparatus for carrying out the heat treatment method according to the present invention will be described. FIG. 1 is a vertical sectional view showing a configuration of a heat treatment apparatus 1 for carrying out the heat treatment method according to the present invention. The heat treatment device 1 of FIG. 1 is a flash lamp annealing device that heats a disk-shaped semiconductor wafer W as a substrate by irradiating the semiconductor wafer W with flash light. The size of the semiconductor wafer W to be processed is not particularly limited, but is, for example, φ300 mm or φ450 mm. In addition, in FIG. 1 and each subsequent drawing, the dimensions and numbers of each part are exaggerated or simplified as necessary for easy understanding.
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。
The heat treatment apparatus 1 includes a chamber 6 for accommodating a semiconductor wafer W, a
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。
The chamber 6 is configured by mounting quartz chamber windows above and below the cylindrical
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。
Further, a
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。
By attaching the
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。
Further, the
さらに、チャンバー側部61には、貫通孔61aおよび貫通孔61bが穿設されている。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の上面から放射された赤外光を上部放射温度計25に導くための円筒状の孔である。一方、貫通孔61bは、半導体ウェハーWの下面から放射された赤外光を下部放射温度計20に導くための円筒状の孔である。貫通孔61aおよび貫通孔61bは、それら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、上部放射温度計25が測定可能な波長領域の赤外光を透過させるフッ化カルシウム材料からなる透明窓26が装着されている。上部放射温度計25は、半導体ウェハーWの上面から放射された赤外光を透明窓26を介して受光し、その赤外光の強度から半導体ウェハーWの上面の温度を測定する。また、貫通孔61bの熱処理空間65に臨む側の端部には、下部放射温度計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。下部放射温度計20は、半導体ウェハーWの下面から放射された赤外光を透明窓21を介して受光し、その赤外光の強度から半導体ウェハーWの下面の温度を測定する。
Further, a through
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。処理ガス供給源85は処理ガスとして、例えば窒素(N2)、アルゴン(Ar)等の不活性ガス、または、酸素(O2)、オゾン(O3)、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チャンバー6内に供給することができる。
Further, a
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。
On the other hand, a
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。
Further, a
排気部190は、真空ポンプを備える。排気部190を作動させつつ、バルブ89,192を開放することによって、チャンバー6内の雰囲気がガス排気管88,191から排気部190へと排出される。ガス供給孔81から何らのガス供給を行うことなく、排気部190によって密閉空間である熱処理空間65の雰囲気を排気すると、チャンバー6内を大気圧未満の気圧に減圧することができる。すなわち、排気部190は、チャンバー6内を減圧する減圧部としても機能するものである。
The
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。
FIG. 2 is a perspective view showing the overall appearance of the holding portion 7. The holding portion 7 includes a
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。
The
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。
The
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。
A
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。
A region of the upper surface of the holding
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。
Returning to FIG. 2, the four connecting
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。
The semiconductor wafer W carried into the chamber 6 is placed and held in a horizontal posture on the
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。
Further, the semiconductor wafer W is supported by a plurality of substrate support pins 77 from the holding
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、下部放射温度計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、下部放射温度計20が開口部78およびチャンバー側部61の貫通孔61b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。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the holding
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。
FIG. 5 is a plan view of the
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。
Further, the pair of
図1に戻り、チャンバー6には、下部放射温度計20および上部放射温度計25の2つの放射温度計(本実施形態ではパイロメーター)が設けられている。下部放射温度計20は、サセプタ74に保持された半導体ウェハーWの斜め下方に設けられている。下部放射温度計20は、半導体ウェハーWの下面から放射された赤外光を受光し、その赤外光の強度から当該下面の温度を測定する。一方、上部放射温度計25は、サセプタ74に保持された半導体ウェハーWの斜め上方に設けられている。上部放射温度計25は、半導体ウェハーWの上面から放射された赤外光を受光し、その赤外光の強度から当該上面の温度を測定する。上部放射温度計25は、フラッシュ光が照射された瞬間の半導体ウェハーWの上面の急激な温度変化に対応できるように、InSb(インジウムアンチモン)の光学素子を備えている。また、チャンバー6には酸素濃度計95が設けられている。酸素濃度計95は、チャンバー6内における酸素濃度を測定する。
Returning to FIG. 1, the chamber 6 is provided with two radiation thermometers (pyrometer in this embodiment), a
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。
The
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。 The plurality of flash lamps FL are rod-shaped lamps, each having a long cylindrical shape, and their respective longitudinal directions are along the main surface of the semiconductor wafer W held by the holding portion 7 (that is, along the horizontal direction). They are arranged in a plane so that they are parallel to each other. Therefore, the plane formed by the arrangement of the flash lamp FL is also a horizontal plane. The region where the plurality of flash lamp FLs are arranged is larger than the planar size of the semiconductor wafer W.
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。 The xenon flash lamp FL has a cylindrical glass tube (discharge tube) in which xenon gas is sealed inside and an anode and a cathode connected to a condenser are arranged at both ends thereof, and on the outer peripheral surface of the glass tube. It is provided with an attached trigger electrode. Since xenon gas is electrically an insulator, electricity does not flow in the glass tube under normal conditions even if electric charges are accumulated in the condenser. However, when a high voltage is applied to the trigger electrode to break the insulation, the electricity stored in the capacitor instantly flows into the glass tube, and light is emitted by the excitation of xenon atoms or molecules at that time. In such a xenon flash lamp FL, the electrostatic energy stored in the capacitor in advance is converted into an extremely short optical pulse of 0.1 millisecond to 100 millisecond, so that the halogen lamp HL is continuously lit. It has the feature that it can irradiate extremely strong light compared to a light source. That is, the flash lamp FL is a pulsed light emitting lamp that instantaneously emits light in an extremely short time of less than 1 second.
フラッシュランプFLの発光回路には図示省略のIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)が組み込まれている。そのIGBTのゲートに印加するパルスの波形を調整することによって、フラッシュランプFLの発光時間を1ミリセカンドから100ミリセカンドの間で規定することができる。 An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) (not shown) is incorporated in the light emitting circuit of the flash lamp FL. By adjusting the waveform of the pulse applied to the gate of the IGBT, the emission time of the flash lamp FL can be specified between 1 millisecond and 100 milliseconds.
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。
Further, the
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。
The
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。
FIG. 7 is a plan view showing the arrangement of a plurality of halogen lamps HL. The 40 halogen lamps HL are arranged in two upper and lower stages. Twenty halogen lamps HL are arranged in the upper stage near the holding
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。
Further, as shown in FIG. 7, the arrangement density of the halogen lamp HL in the region facing the peripheral edge portion is higher than the region facing the central portion of the semiconductor wafer W held by the holding portion 7 in both the upper and lower stages. There is. That is, in both the upper and lower stages, the arrangement pitch of the halogen lamp HL is shorter in the peripheral portion than in the central portion of the lamp arrangement. Therefore, it is possible to irradiate a peripheral portion of the semiconductor wafer W, which tends to have a temperature drop during heating by light irradiation from the
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。 Further, the lamp group consisting of the halogen lamp HL in the upper stage and the lamp group consisting of the halogen lamp HL in the lower stage are arranged so as to intersect in a grid pattern. That is, a total of 40 halogen lamps HL are arranged so that the longitudinal direction of the 20 halogen lamps HL arranged in the upper stage and the longitudinal direction of the 20 halogen lamps HL arranged in the lower stage are orthogonal to each other. There is.
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。 The halogen lamp HL is a filament type light source that incandescentizes the filament and emits light by energizing the filament arranged inside the glass tube. Inside the glass tube, a gas in which a trace amount of a halogen element (iodine, bromine, etc.) is introduced into an inert gas such as nitrogen or argon is enclosed. By introducing the halogen element, it becomes possible to set the temperature of the filament to a high temperature while suppressing the breakage of the filament. Therefore, the halogen lamp HL has a characteristic that it has a longer life than a normal incandescent lamp and can continuously irradiate strong light. That is, the halogen lamp HL is a continuously lit lamp that continuously emits light for at least 1 second or longer. Further, since the halogen lamp HL is a rod-shaped lamp, it has a long life, and by arranging the halogen lamp HL along the horizontal direction, the radiation efficiency to the upper semiconductor wafer W becomes excellent.
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。
Further, a
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。
The
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。
In addition to the above configuration, the heat treatment apparatus 1 prevents an excessive temperature rise of the
次に、本発明に係る熱処理方法について説明する。図8は、本発明に係る熱処理方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態において処理対象となる半導体基板はシリコン(Si)の半導体ウェハーWである。熱処理装置1における熱処理に先立って、シリコンの半導体ウェハーWの表面の一部領域に不純物(例えば、ボロン(B)やヒ素(As)等)が導入される(ステップS1)。不純物の導入は、例えばイオン注入法によって行うことができる。図10は、不純物が導入された半導体ウェハーWを模式的に示す図である。半導体ウェハーWの表面に不純物が導入されることにより、シリコンの基層101上に不純物導入層102が形成されることとなる。不純物導入層102には導入された不純物の原子が存在している。
Next, the heat treatment method according to the present invention will be described. FIG. 8 is a flowchart showing the procedure of the heat treatment method according to the present invention. The semiconductor substrate to be processed in this embodiment is a silicon (Si) semiconductor wafer W. Prior to the heat treatment in the heat treatment apparatus 1, impurities (for example, boron (B), arsenic (As), etc.) are introduced into a part of the surface of the silicon semiconductor wafer W (step S1). Impurities can be introduced, for example, by ion implantation. FIG. 10 is a diagram schematically showing a semiconductor wafer W into which impurities have been introduced. By introducing impurities on the surface of the semiconductor wafer W, the
次に、不純物が導入されたシリコンの半導体ウェハーWが熱処理装置1のチャンバー6内に搬入される(ステップS2)。具体的には、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、バルブ84を開放してチャンバー6内に窒素ガスを供給し、搬送開口部66から窒素ガスを流出させて半導体ウェハーWの搬入にともなう外部雰囲気の巻き込みを最小限に抑制するようにしても良い。
Next, the silicon semiconductor wafer W into which impurities have been introduced is carried into the chamber 6 of the heat treatment apparatus 1 (step S2). Specifically, the
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。
The semiconductor wafer W carried in by the transfer robot advances to a position directly above the holding portion 7 and stops. Then, the pair of
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、不純物導入層102が形成されている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。
After the semiconductor wafer W is placed on the
半導体ウェハーWが保持部7に保持され、ゲートバルブ185によって搬送開口部66が閉鎖されて熱処理空間65が密閉空間とされた後、チャンバー6内に酸素が供給されて酸化雰囲気が形成される(ステップS3)。具体的には、バルブ84が開放されて処理ガス供給源85からチャンバー6内に酸素が供給されるとともに、バルブ89が開放されてガス排気孔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内の雰囲気は徐々に酸素に置換され、チャンバー6内には酸素を含む酸化雰囲気が形成される。チャンバー6内の酸素濃度は1%~100%の適宜の値とすることができる。チャンバー6内の酸素濃度は酸素濃度計95によって測定されている。なお、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内の気体は排気される。
The semiconductor wafer W is held in the holding portion 7, the
続いて、半導体ウェハーWに対する第1予備加熱が開始される(ステップS4)。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。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の第1予備加熱が開始される。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の裏面から照射される。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。
Subsequently, the first preheating of the semiconductor wafer W is started (step S4). FIG. 9 is a diagram showing changes in the surface temperature of the semiconductor wafer W. At time t1, the 40 halogen lamps HL of the
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の温度が下部放射温度計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を通して下部放射温度計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の温度が所定の第1予備加熱温度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、下部放射温度計20による測定値に基づいて、半導体ウェハーWの温度が第1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。
When heating with the halogen lamp HL, the temperature of the semiconductor wafer W is measured by the
次に、半導体ウェハーWの温度が第1予備加熱温度T1に到達した後、制御部3は半導体ウェハーWの温度をその第1予備加熱温度T1に暫時維持する。具体的には、下部放射温度計20によって測定される半導体ウェハーWの温度が第1予備加熱温度T1に到達した時刻t2に制御部3がハロゲンランプHLの出力を調整し、半導体ウェハーWの温度をほぼ第1予備加熱温度T1に維持している。これにより、半導体ウェハーWを酸化雰囲気中にて第1予備加熱温度T1に加熱する第1予備加熱が進行する。第1予備加熱における第1予備加熱温度T1は500℃以上800℃以下である。
Next, after the temperature of the semiconductor wafer W reaches the first preheating temperature T1, the
半導体ウェハーWの温度が第1予備加熱温度T1に到達してから所定時間が経過した時刻t3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の表面に第1のフラッシュ光照射を行う(ステップS5)。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。
At time t3, when a predetermined time has elapsed since the temperature of the semiconductor wafer W reached the first preheating temperature T1, the surface of the semiconductor wafer W is irradiated with the first flash light from the flash lamp FL of the
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1ミリセカンド以上100ミリセカンド以下の極めて短く強い閃光である。フラッシュランプFLの発光時間は発光回路に接続されたIGBTによって1ミリセカンドから100ミリセカンドの間で規定される。半導体ウェハーWの表面に照射時間が1ミリセカンド以上100ミリセカンド以下のフラッシュ光が照射されることによって、当該表面が瞬間的にピーク温度(最高到達温度)にまで昇温した後、急速に降温する。フラッシュ光の照射時間は1ミリセカンド以上100ミリセカンド以下であるため、第1のフラッシュ光照射は加熱時間が1秒以下のミリ秒アニール工程である。第1のフラッシュ光照射における半導体ウェハーWの表面のピーク温度T2は700℃以上1000℃以下であり、第1予備加熱温度T1よりも高温である。 The flash light emitted from the flash lamp FL is an extremely short and strong flash with an irradiation time of 1 millisecond or more and 100 milliseconds or less, in which the electrostatic energy stored in the capacitor in advance is converted into an extremely short optical pulse. The flash time of the flash lamp FL is defined between 1 millisecond and 100 milliseconds by the IGBT connected to the light emitting circuit. When the surface of the semiconductor wafer W is irradiated with flash light having an irradiation time of 1 millisecond or more and 100 milliseconds or less, the surface is instantaneously raised to the peak temperature (maximum reached temperature) and then rapidly lowered. do. Since the irradiation time of the flash light is 1 millisecond or more and 100 millisecond or less, the first flash light irradiation is a millisecond annealing step in which the heating time is 1 second or less. The peak temperature T2 on the surface of the semiconductor wafer W in the first flash light irradiation is 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, which is higher than the first preheating temperature T1.
第1のフラッシュ光照射は酸素を含む酸化雰囲気中にて実行される。酸素を含む酸化雰囲気中にて半導体ウェハーWにフラッシュ光が照射されて半導体ウェハーWの表面が1秒以下フラッシュ加熱されることにより、半導体ウェハーWの表面にシリコン酸化膜(SiO2)が形成される。図11は、表面に酸化膜が形成された半導体ウェハーWを模式的に示す図である。第1のフラッシュ光照射により、不純物導入層102の上にシリコン酸化膜103が形成される。すなわち、半導体ウェハーWの最も表層にシリコン酸化膜103が形成され、その下層に不純物導入層102が存在することとなる。
The first flash light irradiation is performed in an oxidizing atmosphere containing oxygen. A silicon oxide film (SiO 2 ) is formed on the surface of the semiconductor wafer W by irradiating the semiconductor wafer W with flash light in an oxygen-containing oxidizing atmosphere and flash-heating the surface of the semiconductor wafer W for 1 second or less. To. FIG. 11 is a diagram schematically showing a semiconductor wafer W having an oxide film formed on its surface. By the first flash light irradiation, the
ハロゲンランプHLからの光照射のみによっても、シリコン酸化膜を形成することは可能であるが、この場合半導体ウェハーWに与える総熱量が大きくなるため、他の領域に与える熱影響が過大となる。フラッシュ光照射によってシリコン酸化膜を形成するようにすれば、半導体ウェハーWに与える総熱量は比較的小さくなるため、他の領域に大きな熱影響を与えることが防止される。 It is possible to form a silicon oxide film only by irradiating light from the halogen lamp HL, but in this case, the total amount of heat given to the semiconductor wafer W becomes large, so that the heat effect on other regions becomes excessive. If the silicon oxide film is formed by flash light irradiation, the total amount of heat given to the semiconductor wafer W is relatively small, so that it is possible to prevent a large thermal influence on other regions.
第1のフラッシュ光照射によって半導体ウェハーWの表面にシリコン酸化膜103が形成された後、チャンバー6内の雰囲気が窒素雰囲気に置換される(ステップS6)。具体的には、バルブ84が開放されて処理ガス供給源85からチャンバー6内に窒素が供給されるとともに、バルブ89が開放されてガス排気孔86からチャンバー6内の酸化雰囲気が排出される。これにより、チャンバー6内の酸化雰囲気は徐々に窒素雰囲気に置換され、チャンバー6内には不活性ガス雰囲気である窒素雰囲気が形成される。
After the
続いて、半導体ウェハーWに対する第2予備加熱が行われる(ステップS7)。第2予備加熱もハロゲンランプHLからの光照射によって行われる。すなわち、ハロゲンランプHLから出射された光が半導体ウェハーWの裏面に照射されることによって、半導体ウェハーWが加熱される。 Subsequently, the second preheating of the semiconductor wafer W is performed (step S7). The second preheating is also performed by irradiation with light from the halogen lamp HL. That is, the light emitted from the halogen lamp HL is applied to the back surface of the semiconductor wafer W to heat the semiconductor wafer W.
第2予備加熱においては、下部放射温度計20によって測定される半導体ウェハーWの温度が第2予備加熱温度T3に到達した時刻t4に制御部3がハロゲンランプHLの出力を調整し、半導体ウェハーWの温度をほぼ第2予備加熱温度T3に維持する。これにより、半導体ウェハーWを窒素雰囲気中にて第2予備加熱温度T3に加熱する第2予備加熱が進行する。第2予備加熱における第2予備加熱温度T3は500℃以上800℃以下である。すなわち、第1予備加熱温度T1と第2予備加熱温度T3とは同じ温度範囲に設定されるものであり、第2予備加熱温度T3は第1予備加熱温度T1より高温であっても良いし、低温であっても良い。或いは、第2予備加熱温度T3と第1予備加熱温度T1とは等温であっても良い。
In the second preheating, the
半導体ウェハーWの温度が第2予備加熱温度T3に到達してから所定時間が経過した時刻t5に、フラッシュランプFLから半導体ウェハーWの表面に第2のフラッシュ光照射を行う(ステップS8)。第2のフラッシュ光照射における、フラッシュ光照射時間も1ミリセカンド以上100ミリセカンド以下である。すなわち、第2のフラッシュ光照射も加熱時間が1秒以下のミリ秒アニール工程である。半導体ウェハーWの表面に照射時間が1ミリセカンド以上100ミリセカンド以下のフラッシュ光が照射されることによって、当該表面が瞬間的にピーク温度(最高到達温度)にまで昇温した後、急速に降温する。第2のフラッシュ光照射における半導体ウェハーWの表面のピーク温度T4は1000℃以上1250℃以下であり、第1のフラッシュ光照射における半導体ウェハーWの表面のピーク温度T2よりも高温である。 At time t5, when a predetermined time has elapsed since the temperature of the semiconductor wafer W reached the second preheating temperature T3, the surface of the semiconductor wafer W is irradiated with the second flash light from the flash lamp FL (step S8). The flash light irradiation time in the second flash light irradiation is also 1 millisecond or more and 100 millisecond or less. That is, the second flash light irradiation is also a millisecond annealing step in which the heating time is 1 second or less. When the surface of the semiconductor wafer W is irradiated with flash light having an irradiation time of 1 millisecond or more and 100 milliseconds or less, the surface is instantaneously raised to the peak temperature (maximum reached temperature) and then rapidly lowered. do. The peak temperature T4 on the surface of the semiconductor wafer W in the second flash light irradiation is 1000 ° C. or higher and 1250 ° C. or lower, which is higher than the peak temperature T2 on the surface of the semiconductor wafer W in the first flash light irradiation.
第2のフラッシュ光照射は窒素雰囲気中にて実行される。窒素雰囲気中にて半導体ウェハーWにフラッシュ光が照射されて半導体ウェハーWの表面が瞬間的にピーク温度T4にまで加熱されることにより、不純物導入層102中の不純物が活性化される。第2のフラッシュ光照射の照射時間は1ミリセカンド以上100ミリセカンド以下の極めて短時間であるため、不純物導入層102中の不純物は深く拡散することなく活性化される。なお、不純物の活性化に必要な時間はその熱拡散に必要な時間に比較して極めて短いため、0.1ミリセカンドないし100ミリセカンド程度の拡散が生じない短時間であっても活性化は完了する。
The second flash light irradiation is performed in a nitrogen atmosphere. Impurities in the
また、不純物導入層102の上にシリコン酸化膜103が形成された状態で第2のフラッシュ光照射は実行されるため、シリコン酸化膜103によって不純物導入層102中の不純物の外方拡散を抑制しつつ当該不純物の活性化を行うことができる。すなわち、シリコン酸化膜103がバリア層として機能し、フラッシュ加熱時における不純物の外方拡散による脱離を抑止するのである。
Further, since the second flash light irradiation is executed with the
第2のフラッシュ光照射が終了した後に熱処理後の半導体ウェハーWがチャンバー6から搬出される(ステップS9)。具体的には、第2のフラッシュ光照射終了後にハロゲンランプHLが消灯することにより、半導体ウェハーWの温度は第2予備加熱温度T3からも降温する。降温中の半導体ウェハーWの温度は下部放射温度計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、下部放射温度計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の熱処理が完了する。
After the second flash light irradiation is completed, the heat-treated semiconductor wafer W is carried out from the chamber 6 (step S9). Specifically, the halogen lamp HL is turned off after the end of the second flash light irradiation, so that the temperature of the semiconductor wafer W is also lowered from the second preheating temperature T3. The temperature of the semiconductor wafer W during the temperature decrease is measured by the
本実施形態においては、不純物が導入されたシリコンの半導体ウェハーWに酸素を含む酸化雰囲気中にて第1予備加熱を行うとともに第1のフラッシュ光照射を行うことにより、半導体ウェハーWの表面にシリコン酸化膜103を形成している。シリコン酸化膜103は、不純物導入層102を覆うように形成される。その後、窒素雰囲気中にて半導体ウェハーWに第2のフラッシュ光照射を行うことにより、シリコン酸化膜103によって不純物の外方拡散を抑制しつつ不純物を活性化している。すなわち、不純物活性化のための第2のフラッシュ光照射に先行してシリコン酸化膜103を形成しておくことにより、第2のフラッシュ光照射を行ったときに不純物の外方拡散による脱離を防止することができるのである。その結果、不純物の活性化効率を高めることができるとともに、不純物の外方拡散に起因したチャンバー6の内壁面の汚染やガス排気管88の汚染を防止することができ、清掃作業に要する時間およびコストを低減することができる。
In the present embodiment, the surface of the semiconductor wafer W is made of silicon by first preheating the semiconductor wafer W of silicon into which impurities have been introduced in an oxidizing atmosphere containing oxygen and irradiating the first flash light. It forms an
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、酸素を含む酸化雰囲気を形成していたが、これに限定されるものではなく、オゾンを含む酸化雰囲気中にて熱処理を行ってシリコン酸化膜103を形成するようにしても良い。オゾンを含む酸化雰囲気中にて半導体ウェハーWの加熱処理を行うことにより、シリコン酸化膜103の成長速度を高めることが可能となる。或いは、酸素とオゾンとの混合雰囲気中にて半導体ウェハーWに加熱処理を行ってシリコン酸化膜103を形成するようにしても良い。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be modified in various ways other than those described above as long as it does not deviate from the gist thereof. For example, in the above embodiment, an oxidizing atmosphere containing oxygen has been formed, but the present invention is not limited to this, and heat treatment is performed in the oxidizing atmosphere containing ozone to form the
また、第1のフラッシュ光照射および第2のフラッシュ光照射を大気圧未満の減圧雰囲気にて行うようにしても良い。すなわち、排気部190によってチャンバー6内を大気圧未満に減圧した状態で第1のフラッシュ光照射および第2のフラッシュ光照射を行う。第1のフラッシュ光照射および第2のフラッシュ光照射を実行するときのチャンバー6内の圧力は、5kPa以上1013hPa(=1気圧)以下の範囲内であれば良い。但し、第1のフラッシュ光照射を行うときの、チャンバー6内の酸素濃度が高いほど、またチャンバー6内の圧力が高圧であるほど、シリコン酸化膜103の成長速度は高くなる。
Further, the first flash light irradiation and the second flash light irradiation may be performed in a reduced pressure atmosphere lower than the atmospheric pressure. That is, the first flash light irradiation and the second flash light irradiation are performed in a state where the inside of the chamber 6 is depressurized to less than the atmospheric pressure by the
また、上記実施形態においては、不活性ガス雰囲気として窒素雰囲気を形成していたが、これに限定されるものではなく、不活性ガス雰囲気として例えばアルゴンまたはヘリウムの雰囲気を形成するようにしても良い。 Further, in the above embodiment, the nitrogen atmosphere is formed as the inert gas atmosphere, but the present invention is not limited to this, and the atmosphere of, for example, argon or helium may be formed as the inert gas atmosphere. ..
また、上記実施形態においては、フラッシュランプFLから照射時間の短いフラッシュ光を照射することによって半導体ウェハーWの表面を1秒以下加熱していたが、フラッシュ光に代えてレーザー光を照射して半導体ウェハーWを加熱するようにしても良い。レーザー光も照射時間が極めて短いため、半導体ウェハーWの表面の加熱時間を1秒以下としてミリ秒アニール工程を実施することができる。すなわち、半導体ウェハーWの表面を1秒以下加熱する熱源であれば良い。 Further, in the above embodiment, the surface of the semiconductor wafer W is heated for 1 second or less by irradiating the flash light with a short irradiation time from the flash lamp FL, but the semiconductor is irradiated with laser light instead of the flash light. The wafer W may be heated. Since the irradiation time of the laser beam is also extremely short, the millisecond annealing step can be performed with the heating time of the surface of the semiconductor wafer W set to 1 second or less. That is, any heat source that heats the surface of the semiconductor wafer W for 1 second or less may be used.
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。
Further, in the above embodiment, the
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。 Further, in the above embodiment, the semiconductor wafer W is preheated by using a filament type halogen lamp HL as a continuous lighting lamp that continuously emits light for 1 second or longer, but the present invention is not limited to this. Instead of the halogen lamp HL, a discharge type arc lamp (for example, a xenon arc lamp) may be used as a continuous lighting lamp to perform preheating.
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
85 処理ガス供給源
102 不純物導入層
103 シリコン酸化膜
190 排気部
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
1
Claims (6)
前記基板を酸化雰囲気中にて第1予備加熱温度に加熱する第1予備加熱工程と、
前記第1予備加熱温度に加熱されている前記基板に酸化雰囲気中にて光を照射し、前記基板の表面を1秒以下加熱する第1ミリ秒アニール工程と、
前記基板を不活性ガス雰囲気中にて第2予備加熱温度に加熱する第2予備加熱工程と、
前記第2予備加熱温度に加熱されている前記基板に不活性ガス雰囲気中にて光を照射し、前記基板の表面を1秒以下加熱する第2ミリ秒アニール工程と、
を備えることを特徴とする熱処理方法。 It is a heat treatment method that heats a silicon substrate into which impurities have been introduced by irradiating the substrate with light.
The first preheating step of heating the substrate to the first preheating temperature in an oxidizing atmosphere, and
The first millisecond annealing step of irradiating the substrate heated to the first preheating temperature with light in an oxidizing atmosphere and heating the surface of the substrate for 1 second or less.
A second preheating step of heating the substrate to the second preheating temperature in an atmosphere of an inert gas,
A second millisecond annealing step of irradiating the substrate heated to the second preheating temperature with light in an atmosphere of an inert gas to heat the surface of the substrate for 1 second or less.
A heat treatment method comprising.
前記第2ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度は前記第1ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度よりも高温であることを特徴とする熱処理方法。 In the heat treatment method according to claim 1,
A heat treatment method characterized in that the maximum temperature reached on the surface of the substrate in the second millisecond annealing step is higher than the maximum temperature reached on the surface of the substrate in the first millisecond annealing step.
前記第1ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度は700℃以上1000℃以下であり、
前記第2ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度は1000℃以上1250℃以下であることを特徴とする熱処理方法。 In the heat treatment method according to claim 2,
The maximum temperature reached on the surface of the substrate in the first millisecond annealing step is 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
A heat treatment method characterized in that the maximum temperature reached on the surface of the substrate in the second millisecond annealing step is 1000 ° C. or higher and 1250 ° C. or lower.
前記第1ミリ秒アニール工程では、前記基板の表面にシリコンの酸化膜を形成し、
前記第2ミリ秒アニール工程では、前記酸化膜によって前記不純物の外方拡散を抑制しつつ前記不純物を活性化することを特徴とする熱処理方法。 In the heat treatment method according to any one of claims 1 to 3.
In the first millisecond annealing step, a silicon oxide film is formed on the surface of the substrate, and the silicon oxide film is formed.
The second millisecond annealing step is a heat treatment method characterized in that the oxide film activates the impurities while suppressing the outward diffusion of the impurities.
前記第1ミリ秒アニール工程および前記第2ミリ秒アニール工程は大気圧未満の減圧雰囲気にて行われることを特徴とする熱処理方法。 In the heat treatment method according to any one of claims 1 to 4.
A heat treatment method characterized in that the first millisecond annealing step and the second millisecond annealing step are performed in a reduced pressure atmosphere of less than atmospheric pressure.
前記第1予備加熱工程および前記第1ミリ秒アニール工程は酸素またはオゾンを含む酸化雰囲気中にて行われ、
前記第2予備加熱工程および前記第2ミリ秒アニール工程は窒素を含む不活性ガス雰囲気中にて行われることを特徴とする熱処理方法。 In the heat treatment method according to any one of claims 1 to 5.
The first preheating step and the first millisecond annealing step are performed in an oxidizing atmosphere containing oxygen or ozone.
The heat treatment method, wherein the second preheating step and the second millisecond annealing step are performed in an atmosphere of an inert gas containing nitrogen.
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