JP2961123B2 - 電磁放射照射による半導体円板の急速熱処理方法 - Google Patents

電磁放射照射による半導体円板の急速熱処理方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、少なくとも１つの照射源を備え半導体円
板の加熱に必要なエネルギーの大部分を供給する主照射
装置を使用し、電磁放射照射によって半導体円板を急速
熱処理する方法に関するものである。
〔従来の技術〕
半導体板上に電子デバイスを製作するに当たってRTP
と呼ばれている急速熱処理法（Rapid Thermal Processi
ng）が次第に重要性を増してきた。この熱処理に際して
は半導体円板が個別に処理室に運ばれ、特定の雰囲気内
で例えば強力な光源からの放射により極めて急速にかつ
できるだけ均等に加熱される。その際一般に温度が円板
の中央の測定点において高温計で測定される。この高温
計は光源の出力従って光の強度を調整して所定の温度−
時間サイクルができるだけ精確に保持されるようにす
る。イオン注入に際して結晶欠陥を回復するための典型
的な温度−時間サイクルでは、1100℃までの加熱速度が
毎秒300℃、続く焼きもどし時間は1100℃において５秒
間であり、以後毎秒100℃の冷却速度となる。
急速熱処理に際して高い収率の達成の前提となるの
は、半導体円板上の温度分布が充分一様になることであ
る。しかしこの条件は半導体円板の直径が大きい場合今
なお満足できる程度に解明されていない問題を提起す
る。
以下第８図と第９図を参照してこれらの問題を説明す
る。第８図において１は半導体円板であり、その上面２
が全面的に等強度の電磁放射３によって照射される。半
導体円板１の周縁部５に強く生ずる熱放射４により、半
導体円板１の周縁部５は半導体円板１の中央部６よりも
低温になる。
第９図には加熱相t1と焼もどし相t2を含む温度処理中
の半導体円板１の中央部６においての放射強度IMの経過
とその周縁部５においての放射強度IRの経過（これらは
互いに等しい）の外に半導体円板１の中央部６において
の温度TMの経過とその周縁部５においての温度TRの経過
が示されている。これらの経過曲線から半導体円板上の
照射強度分を均等にするとき、温度分布が不均等になる
ことが明らかである。これは半導体円板１の周縁部５に
付加された表面があるため熱放射が強まることに基づく
ものである。
従来の技術に関しては更に第10図と第11図について説
明する。
第10図の半導体円板１は、その周縁部５がその中央部
６よりも強く照射される。照射放射の強度分布は幅を異
にする矢印をもって概略的に示されている。この原理に
基づく処理方法は公知の急速熱処理装置（例えばバリア
ン（Varian）社のVAC6057等）に温度分布改善の目的で
採用されている。この場合半導体円板１の周縁部５の照
射強度IRに対するその中央部６の照射強度IMの比は全熱
処理過程中一定である。
第11図には加熱相t1と焼もどし相t2を含む温度処理中
の半導体円板１の中央部６の照射強度の経過とその周縁
部５の照射強度の経過、ならびに中央部６の温度TMの経
過とその周縁部５の温度TRの経過が示されている。
照射出力は半導体円板１の中央部６の高温計測定に基
づいて円板中央部６において所定の温度−時間サイクル
TM（ｔ）が保持されるように調整される。加熱相t1中は
極めて高い強度IM、IRで照射され、その際周縁部５の方
が照射強度が高くより急速に温度が上昇する。
半導体円板１の中央部６が規定温度TSに達したとき、
その周縁部５の温度は温度上昇速度が高いため著しく高
くなっている。焼もどし相t2において始めて強度比IM／
IRが一定となることにより、ある時間の後に規定値TSの
均等温度分布が達成される。照射を遮断した後の冷却相
t3では周縁部５の方が中央部６よりも急速に冷却する。
半導体円板１の周縁部５の温度−時間経過TR（ｔ）は
このような動的特性の結果、円板中央部６の温度−時間
経過TM（ｔ）から異なっている。この場合静的焼もどし
相における均等温度分布に達するまでの時間は、半導体
円板の質量と規定温度TSに関係する。例えば直径６イン
チの半導体円板で規定温度TSを1100℃とするときこの時
間は５ないし10秒であるから、短時間例えば５秒後では
周縁部５の温度はその中央部６の温度より50℃まで高く
なり得る。この温度差は焼もどし時間が短くなる程重要
となる。
急速熱処理の本来の利点、即ち高速度の温度上昇と高
温に保持する時間の短いことは、収量を限定する温度の
不均等性のため完全に発揮させることは不可能である。
この温度の不均等性は特にシリコンベースの電子デバイ
スの製作に投入される直径６インチの大型半導体円板に
対して不利な作用を及ぼす。
総ての公知の急速熱処理においては、動的特性に基づ
く温度不均等性に対して対抗手段が採られていない。
〔発明が解決しようとする課題〕
この発明の課題は、全熱処理過程中半導体円板上に均
等な温度分布を可能にする電磁放射照射による半導体円
板の急速熱処理法を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕 上述の課題を解決するため、この発明によれば、少な
くとも１つの照射源を備え半導体円板の加熱に必要なエ
ネルギーを送りだす主照射装置を使用して電磁放射照射
により半導体円板を急速熱処理する方法において、主照
射装置として反射体を備える照射源を半導体円板の上方
に設け、半導体円板と反射体との間隔が特定の大きさの
とき半導体円板の中央部と周縁部に入射する放射強度が
互いに等しく、半導体円板と反射体との間隔が別の大き
さのとき半導体円板の周縁部に入射する放射強度が中央
部に入射する放射強度より大きくなるように照射源を構
成し、反射体と半導体円板との間隔を変えることによっ
て、全熱処理過程中半導体円板の中央部と周縁部の温度
が等しくなるように、半導体円板の周縁部に入射する放
射強度を時間と共に変化させる。
〔実施例〕
この発明の実施例を以下に第１図ないし第７図を参照
して説明する。
第１図にこの発明の方法に従って処理される半導体円
板の中央部と周縁部の放射強度と温度の時間経過を示
す。
第２図〜第５図はこの発明の方法を理解するための参
考装置を示すもので、その第２図、第３図及び第５図は
断面図、第４図は平面図であり、第６図、第７図はこの
発明の方法を実施するための装置の異なる実施例の断面
図である。
この発明による半導体円板の急速熱処理方法を具体的
に説明するため、第１図に示す短い温度上昇時間t1、半
導体円板を一定温度に保持しなければならない焼もどし
時間t2および冷却時間t3から成る熱処理を取り上げる。
半導体円板の上表面が主照射装置により全面的に照射
され、その際円板中央部の照射強度IMはその周縁部の照
射強度IRに等しい。
半導体円板の周縁部の強く生ずる熱放射を補償するた
め半導体円板の周縁部に付加的に電磁放射を向け、その
強度IZを、全焼もどし処理中周縁部の温度TRが中央部の
温度TMに等しくなるように時間的に変化させる。その際
付加照射強度TZの経過は主照射装置の強度IM、IRの経過
に関係する。温度上昇時間t1の後半導体円板に吸収され
たエネルギーと半導体円板から放出されたエネルギーの
間に平衡が成立すると、中央部と周縁部に互いに等しい
一定の温度TSを保つための放射強度IM、IRおよびIZを一
定に保つことができる。
低速度の温度上昇加熱の場合、付加照射IZは高速度の
温度上昇加熱の場合より低い温度で開始しなければなら
ない。これは加熱時間が長くなると半導体円板周縁部に
おける熱放射に基づく温度の不均等性が既に低い温度に
おいて形成されることによる。
主照射の遮断後（IM＝IR＝０）冷却時間t3の間半導体
円板の中央部と周縁部の冷却速度が等しくなるから、付
加的な照射IZは熱処理時間t2の後ゆるやかにゼロになる
よう制御する。
半導体円板中央部の照射強度IMとその周縁部の全照射
強度IR＋IZを比べることにより、この発明の方法では半
導体円板表面の電磁放射照射の相対的な強度分布が時間
的に変化することが示される。
第１図に示された曲線は、1100℃までの加熱速度が毎
秒300℃、1100℃においての焼もどし時間が５秒および
自然熱放射による冷却相という典型的な熱処理イサクル
に対するものである。
第２図に示すように、半導体円板１の周縁部５に強く
生ずる熱放射の補償には反射遮壁61を設けることができ
る。この遮壁の側壁は断面が半円形に曲げられ、半導体
円板周縁部５から放射される熱放射を反射して元に還す
ように円板１の縁端を囲んでいる。これによって半導体
円板周縁部の熱放射は常に自己調整式に補償される。反
射遮壁61は良反射性の材料例えば金属で作られる。
主照射装置62としてはアーク灯63が使用される。この
アーク灯の上方には、半導体円板１の上面全体が等しい
強度で照射されるように湾曲成形された反射体64が設け
られる。図の矢印は放射進路を図式的に示す。
第３図に示されている装置では、第２図に示された主
照射装置62の外に半導体円板１の周縁部５を取り囲む環
状の光源71とそれを取り囲む放物線断面の反射体72が設
けられる。主照射装置の強度IMとIRの調整と環状光源71
の強度IZの制御は半導体円板の中央部と周縁部での温度
測定を通して行われる。光源71の照射強度IZは半導体円
板の中央部６と周縁部５において測定された温度の差に
基づいて調整される。温度測定には例えば高温計73、74
が使用される。高温計は問題となる温度範囲の測定に好
適であり無接触測定であるから敏感な半導体円板にとっ
て有利である。
第４図は第３図の装置の平面図であって、環状の光源
71例えばタングステンランプと放物線断面の反射体72が
半導体円板の周縁部５を取り囲んで同心的に設けられて
いる。
第５図に示す装置では、半導体円板１の周縁部５に強
く生ずる熱放射の補償に対して環状の加熱放射体91を半
導体円板の周囲に設けることができる。この放射体には
例えばシリコンに似た放射率を示す炭化シリコンを含ま
せてもよい。付加照射強度IZの調整は、第３図について
述べたように半導体円板の中央部６と周縁部５において
の高温計測定による。
付加照射強度の時間に関係する調整を行う別の方法と
しては、加熱放射体91を両頭矢印で示すように半導体円
板表面に垂直に移動させて加熱体91と半導体円板の間の
間隔を変えることが可能である。
主照射装置62は第２図に示したものに等しい。
第６図、第７図に示したこの発明の実施例では、主照
射装置62として反射体101又は111を備える照射源103又
は63が半導体円板１の上方に設けられる。これらの反射
体は半導体円板から特定の間隔を保つとき半導体円板の
上面全体が均等な強度IM、IRで照射される形態に作られ
ている。ここでは半導体円板１は移動可能であり、例え
ば石英ピン102で支持される。反射体101、111の形態
は、照射源103又は63からの半導体円板１の間隔を特定
の方向に変えるとき半導体円板１の周縁部に入射する放
射が半導体円板の中央部に入射する放射よりも高い強度
を示すように作られている。従って両頭矢印で示す半導
体円板の移動により半導体円板の周縁部に強く生ずる熱
放射が補償される。その際半導体円板１の動きは、第３
図について述べたように高温計測定を通して制御され
る。反射体としては半導体円板１と多数の光源103、例
えばタングステンランプから成る照射源の全体を包囲す
る反射室101を使用することができる。
主照射装置としてはこの外に照射源63と半導体円板１
の上に張られた湾曲反射体111を備える単一照射源63を
使用することができる。この反射体の寸法は所望の間隔
に関係する照射強度分布が達成されるように選定され
る。
この発明は、半導体円板の下面又はその上面と下面と
が１つの主照射装置によって照射される場合に拡張する
ことも可能である。
追加照射の強度IZの制御は、予め計算した必要な強度
値曲線を利用して行うことも可能である。
この発明による方法は、あらゆる温度においても又多
数段熱処理サイクルの場合にも採用可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明による熱処理サイクル中の放射照射強
度の時間経過図、第６図、第７図はこの発明による方法
を実施するための装置の異なる例の断面図、第２図〜第
５図はこの発明の理解を容易にするための参考図、第８
図〜第11図は従来公知の半導体円板急速熱処理法を説明
するための図である。 １……半導体円板 ５……半導体円板の周縁部 ６……半導体円板の中央部 62……主照射装置 63、103……照射源 101、111……反射体 102……石英ピン」
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−247934（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−59876（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−293622（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−64936（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−64937（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−77289（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−20308（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−32317（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−46516（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−30239（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/26

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも１つの照射源を備え半導体円板
    の加熱に必要なエネルギーを送りだす主照射装置を使用
    して電磁放射照射により半導体円板を急速熱処理する方
    法において、主照射装置として反射体（101、111）を備
    える照射源（103、63）を半導体円板（１）の上方に設
    け、半導体円板（１）と反射体（101、111）との間隔が
    特定の大きさのとき半導体円板（１）の中央部（６）と
    周縁部（５）に入射する放射強度が互いに等しく、半導
    体円板（１）と反射体（101、111）との間隔が別の大き
    さのとき半導体円板（１）の周縁部（５）に入射する放
    射強度が中央部（６）に入射する放射強度より大きくな
    るように照射源（103、63）を構成し、反射体（101、11
    1）と半導体円板（１）との間隔を変えることによっ
    て、全熱処理過程中半導体円板（１）の中央部（６）と
    周縁部（５）の温度が等しくなるように、半導体円板
    （１）の周縁部（５）に入射する放射強度を時間と共に
    変化させることを特徴とする電磁放射照射による半導体
    円板の急速熱処理方法。
  2. 【請求項２】半導体円板の表面に平行に並べて配置され
    た複数の光源（103）から成る主照射装置（62）が使用
    され、反射体として半導体円板（１）と光源（103）の
    全体を収容する反射室（101）が使用されることを特徴
    とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】単一の照射原（63）および半導体円板
    （１）と照射源（63）の上に張られている湾曲した反射
    体（111）が主照射装置として使用され、反射体（111）
    の寸法は所定の間隔に対応した放射強度分布が得られる
    ように選定されていることを特徴とする請求項１記載の
    方法。
  4. 【請求項４】半導体円板（１）の周縁部（５）に入射さ
    れる放射の強度（Iz）の時間的変化が半導体円板の周縁
    部（５）と中央部（６）において行われた温度測定を通
    して制御されることを特徴とする請求項１ないし３のい
    ずれか１つに記載の方法。
  5. 【請求項５】半導体円板（１）の周縁部（５）に入射さ
    れる放射の強度（I2）の時間的変化があらかじめ計算さ
    れた所望強度値曲線に基づいて制御されることを特徴と
    する請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
  6. 【請求項６】温度測定が高温計（73、74）を使用して実
    施されることを特徴とする請求項４記載の方法。
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