JP4577462B2 - Semiconductor heat treatment method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
半導体デバイス製造工程において各種の熱処理が行われる。その一つにイオン注入後の活性化アニール工程がある。本発明はイオン注入後のアニールの改善方法を提案する。例えばGaAsのFETを作製する場合にアニールが必要になる。Siの電子移動度よりGaAsの電子移動度はかなり大きい。電子移動度の高速性を生かしたGaAs−FETが利用される。GaAsは電子移動度は高いが、正孔移動度は低いので、電子をキャリヤとするn−チャネル型のFETがおもに用いられる。
【0002】
Siと違って真正半導体のGaAsは半絶縁性である。これはFETを作製する上で好都合な性質である。GaAsのFET基板としては半絶縁性のGaAsを用いる。基板の表面の一部にnチャネルを作り、チャネルの両端にドレイン領域とソース領域を作製し、ドレイン電極、ソース電極を設け中間にゲート電極を形成することによってFET素子とする。あるいは、GaAs基板上にAlGaAs層とGaAs層をエピタキシャル成長し、バンドギャップの違いを利用し、薄い層に局在する二次元電子ガスを作って、これをキャリヤとするHEMTとすることもある。
【0003】
半絶縁性GaAs基板に直接nチャネルの部分を短冊状に形成するためにはマスクを介してn型ドーパントを熱拡散、イオン注入すればよい。熱拡散は表面のドーパント濃度が高くなり内部にまで浸透しにくい。一定濃度のn型領域を形成するにはイオン注入の方が適している。そこでn型のドーパントを短冊状にイオン注入することによってGaAs表面近くにnチャネルを形成する。そのためにはSiイオンが用いられる。Siイオンを加速してGaAsに注入してGaAsのGaをSiイオンによって置換すると、これがn型不純物となりnチャネルを形成する。ところがイオン注入しただけでは、Siイオンの位置は未だランダムでありGaサイトに入らない。それにGaAs格子もイオン注入によって乱れている。そこで格子を修復しSiがGaサイトを置換するためアニールする。熱を掛けることによってSiをn型不純物としSi注入領域をnチャネルとする。チャネルの深さはイオン注入の加速エネルギーによって制御できる。ドーパント密度はイオンビ−ムの電流密度と注入時間によって決まる。
【0004】
【従来の技術】
従来は100keV程度或いはそれ以上の加速エネルギーで低電流密度のSiイオン注入をし厚いnチャネルを形成していた。ところが、より高速のGaAs−FETが求められるようになってきた。高速化の要求に応じるため、より薄いnチャネルが求められる。ゲート電極に加えた電圧によってnチャネルに空乏層を作り空乏層の大きさをかえることによって電流を制御するというのがFETの原理である。だから薄いチャネルの方が高速化に向いている。薄いチャネルを作るには低い加速エネルギーでイオン注入しなければならない。低エネルギー注入によって急峻な密度プロファイルのSi層を形成することができる。しかし、ただ薄いだけではいけない。オン時の充分な電流密度を取るためにnチャネルには高濃度のキャリヤが存在することが望まれる。つまり低エネルギーで高電流密度のイオンビ−ムを注入する必要がある。
【0005】
それだけでなくアニールによってイオンが拡散するのを抑制する必要がある。
アニールは熱処理であるからイオンが動き易くなり濃度差を下げる拡散運動を引き起こす。拡散によって密度分布が平均化し急峻な濃度プロファイルが崩れる可能性がある。これは困ったことである。アニールはGaAs格子の乱れを修復しSiをGaサイトにはめ込むために不可欠の処理であるが、これには必ず拡散が伴う。折角薄いSi注入層を形成してもSiが拡散すると厚いnチャネルになってしまう。設計値より厚いチャネルができると高速化できないし漏れ電流が発生したりして不都合である。
【0006】
▲1▼ 特開昭62−114218号「化合物半導体のアニール方法」(発明者;野中敏夫、高橋誠一、木村健一、池政弘、出願人;沖電気工業株式会社)は、GaAs基板にSiイオンをイオン注入してアニールする際、熱歪が入り結晶欠陥が発生するということを問題にする。とくに大口径のGaAsウエハでアニールによる欠陥の発生が著しいとしている。従来のアニールはアニール温度Taと時間tを指定するだけで昇温速度U、降温速度Wについては何等制御されていないので結晶欠陥が生ずるのであるとしている。これを解決するために400℃〜600℃の砒素が解離しない温度範囲でGaAs基板を加熱しておき、U=5℃/分〜15℃/分の速度で昇温し、アニール温度Ta(800℃〜900℃)に到達してから、例えば20分その温度に保持してアニールし、W=−5℃/分〜−15℃/分の速度で降温する。Siイオンは60keV〜100keVに加速した1012〜1013cm−2の程度のドーズ量である。
【0007】
これは昇温速度Uと降温速度Wの範囲を明確に規定したというところに意義がある。5℃/分〜15℃/分というように温度変化の速度を明らかにしている。イオン注入のエネルギーは高くて注入深さは深い。nチャネルの厚みも大きい。温度変化速度は遅い。温度変化の速度は一様である。dW/dt=0,dU/dt=0である。
【0008】
▲2▼ 特開平9−129570号「半導体装置の製造方法」(発明者;吉田昭吾、出願人;株式会社村田製作所)は、Si注入されたGaAs基板がアニール中に、スリップが発生するのを防ごうとする。Siイオン注入されたGaAsをSiN膜で覆い、赤外線ランプアニール炉に入れて基板温度を825℃(図では850℃)まで昇温させ15分間保持し、100℃/分以下、好ましくは50℃/分の降温速度で300℃まで降温させる。200℃/分で降温させるとスリップラインが多数発生したが、100℃/分以下ならスリップライン発生が少なかったという。イオン注入エネルギーは150keVでありドーズ量は5×1012cm−2である。これも、アニール後の降温速度の範囲を100℃/分以下といっているだけで、降温速度は一様であって速度を一時的に変えるというようなものでない。注入エネルギーが高いので注入は深くnチャネルの厚みも大きい。
【0009】
▲3▼ 特開平10−172977号「化合物半導体基板の熱処理方法及び熱処理装置」(発明者;斉藤吉広、出願人;住友電気工業株式会社)は、3インチGaAsウエハ6枚を水平に上下に並べ電気炉で熱処理するが、ヘリウムガスを導入して熱伝導を盛んにしウエハの中央部と周辺部の温度差を減らすような工夫をしている。ヘリウムの優れた熱伝導によってウエハ内外温度差をなくしスリップラインが発生しないようにしたものである。6枚のウエハを一括して処理するので炉との関係がそれぞれのウエハに対してどうしても一様でない。それで熱伝導に優れたHeを用いる。GaAsを25分間800℃でアニールするが昇温速度Uは30℃/分である。降温速度は100℃/分でいずれも一様速度である。電気炉の他にランプ加熱炉の場合についてもHeの使用を推賞している。
【0010】
電気炉は炉材の中にカンタル線などのヒ−タ線を巻いてジュール熱を発生させて炉壁からの赤外輻射で対象を加熱する。炉材の熱容量が大きいから温度変化が鈍い。ランプ加熱の場合は、多数のランプを炉の円周上下左右に並べてランプ光を対象に当てて光学的に加熱する。炉材の熱容量は無関係である。対象とサセプタの熱容量だけが関係する。だから急速加熱に向いている。RTA(Rapid Thermal Annealing)というのはランプ加熱によって急速加熱急速冷却できるようにしたものである。RTAは公知の技術であり、例えば、
【0011】
▲4▼ H. Kohzu et al.,"Infrared rapid thermal annealing for GaAs device fabrication", J. Appl. Phys.,Vol.54(9), p4998-5003 (1983)は、GaAs−MESFETのためSiドープGaAsのアニールについてハロゲンランプを使ったランプアニールを提案する。上部に8個、下部に9個合わせて17個のハロゲンランプを付けてSi注入GaAsウエハを赤外加熱する。Si注入エネルギーは100keV、150keVである。それまでの電気炉アニールは時間を掛けてアニールするからAs抜けを防止する必要があった。これを防ぐためウエハ表面にはSiOやSiN膜を付けて時間を掛けてアニールしていたのである。ランプアニールの場合は100℃/sの速度で加熱し、950℃2秒のアニールをして自然放冷する。150℃からランプ加熱を開始したとすると7.5秒程度で950℃に達し2秒保持してそのあとは放冷する。
【0012】
150℃から加熱を始めアニールして自然放冷で150℃に戻るまでの時間は80秒程度で極極短い。アニール時間が2秒の場合、最適のアニール温度は900℃程度であるとしている。850℃の場合は10秒保持すべきだとしている。アニールの目的は、打ち込んだSiがGaサイトを置換することと、結晶性の回復にある。アニールの成果は、GaサイトにSiが置換していること、結晶性改善によって測定されるべきである。ここではキャリヤ濃度(電子濃度)を測定している。SiがGaサイトを置換すると電子が一つ発生する。SiがAsサイトを置換すると電子が一つ消滅する。電子濃度が高いということはSiがGaを置換したということを示唆する。打ち込んだSi量で電子数を割ったものが活性化率と呼ばれる。この論文は活性化率(電子/Si)によってアニールの効果を測っている。850℃の電気炉で15分アニールする場合と、950℃で2秒RTAした場合を比較している。
【0013】
150keVで打ち込んだ場合は、RTAの方が電気炉アニールよりキャリヤ濃度の深さ方向の広がりが大きくなっている。電子移動度も電気炉アニールの方がRTAよりも高いようである。注入エネルギーが100keVのときはRTAの方が電気炉アニール(FA)よりキャリヤの深さ方向分布が浅くなっている。
【0014】
このようにRTAは一般的なアニール技術である。GaAsのアニールについては上記の▲1▼〜▲3▼の他に本出願人による次の文献がある。
【0015】
▲5▼ 特願平9−42351号(特開平9−321105号)「半導体ウエハの評価方法、熱処理方法、および熱処理装置」(発明者;木山誠、出願人;住友電気工業株式会社)は、GaAsにエピタキシャル成長(600℃〜700℃)、イオン注入、活性化アニール(800℃)を行った場合に発生するスリップ欠陥を問題にする。エピタキシャル成長、アニールにおいてGaAsウエハを加熱すると、温度が内外で一様でないため周辺部にスリップが発生する。スリップの面は(111)面でズレの方向は[−110]である。4インチウエハをサセプタで支持し、サセプタの下方に同心の3つのヒ−タを設け、GaAsウエハの半径方向に任意の温度分布を与えることができるようになっている。炉の上方に開口を設け二次元運動できる放射温度計によってウエハ面内温度分布を測定できるようになっている。
【0016】
4インチウエハの内外の温度差Δ=T(0)−T(R)を様々に与えてスリップが生じるかどうかを調べた。内外温度差Δが大きいほど、温度T(R)が高いほどスリップが起こり易い。スリップはウエハの周囲で発生しやすい。ついで中央部にも発生することがある。中間部ではスリップは生じにくい。周囲でのスリップは角度方向の応力σθが大きくなることによって発生する。Δが正(凸型温度分布)でも負(凹型温度分布)でもスリップは生ずる。例えばΔが正の場合、周辺部には引っ張り応力がはたらき、スリップ発生は引っ張り応力を緩和させる。スリップが発生する臨界の温度差が温度の関数Δ(T)として得られる。温度が増加するとこれは減少するような関数である。
【0017】
この発明はGaAsのアニールにおいてスリップがどのような場合に起こるかを明らかにしている。しかし実際の製造にはこれは使えない。実際のアニールにおいてウエハの内外の温度をつねにモニタすることは難しい。装置が複雑であり操作も煩雑になる。それに内外3重の抵抗加熱ヒ−タを備えた炉は実験用の特殊なものである。製造現場にはそのような精密制御できるような炉は使いにくい。それにランプを用いる場合ランプは真空チャンバの外にあるからウエハの内外3重に設けるということはできない。この発明の意義は、Si注入GaAsウエハをアニールするときにスリップが発生するのはウエハ中心部と周辺部の温度差Δのためであり、臨界温度差Δは温度Tによって変化するということ、臨界温度変化Δ(T)を具体的に与えたというところにある。
【0018】
▲6▼ M.Kiyama, T. Takebe & K. Fujita,"Quantitative analysis of slip defect generation during thermal processes in GaAs wafers", Inst. Phys. Conf. Ser. No155, Chapter 12 presented at 23 rd Int. Symp. Compound Semiconductors, St Petersburg, Russia, 23-27 September 1996, p945-948 (1996)
これはノンド−プ4インチGaAsウエハを加熱したときのスリップ欠陥の発生の条件を求めたものである。Si注入したものでなくノンドープのSI(半絶縁性)−GaAsである。4インチGaAsウエハにSiイオンを注入し活性化アニールをするがサセプタの下に三重の同心円ヒ−タを設け(中心ヒ−タ、中間ヒ−タ、周辺ヒ−タ)を設けてウエハ面内半径方向に自在に温度分布{T(r)}を与える事ができるようになっている。ウエハの実際の温度は上から放射温度計によって測定する。放射温度計は二次元運動できるので任意の部位(r,θ)での温度を非接触計測できる。ヒ−タパワーを調整して凸型温度分布を与えたり、凹型温度分布を与えたりする。温度は400℃〜750℃の範囲である。凸型温度分布でも凹型温度分布でもΔ=T(0)−T(R)の絶対値が大きいときは周辺部にスリップが生ずる。Δが正のとき(凸型)は周辺部の角度方向の熱応力は引っ張り応力σθ>0である。Δが負のとき(凹型)は、周辺部の角度方向の熱応力は圧縮応力である。Δの絶対値が小さい内はスリップは生じないが、これが大きくなるとスリップが周辺部に生じる。スリップが発生しない許容範囲は温度が高いほど狭い。
温度の関数として降伏熱応力σθ(T)、臨界剪断応力τ(T)、スリップ発生臨界内外温度差Δを求めている。以下に概要を説明する。
実験において、ウエハ面内の温度分布は、中心部が周辺部より高温である放物線分布で近似できることがわかった。そこで放物線温度分布を仮定すると、ウエハ周辺部の角度方向の熱応力σθはウエハ面内の温度の関数として、
【0019】
σθ(R)=αE(T(0)−T(R))/2 (1)
【0020】
のように与えられる。ここでαは熱膨張率、Eはヤング率である。
GaAsには異方性があるため、スリップは<110>/{111}滑り系({111}面で<110>方向に滑る)で発生する。この時の分解剪断応力τとσθの関係はτ=0.493σθの関係があることが一般に知られており、(1)式を用いて、
【0021】
τ =0.493×αE(T(0)−T(R))/2 (2)
【0022】
と示される。
一方、T(0)とT(R)を変えてスリップ発生条件を求めた実験結果から、(2)式を用いてスリップが発生する臨界剪断応力τは、
【0023】
τ(T)=2.3×10−2exp(0.38eV/kT)MPa(3)
【0024】
であることがわかった。そこでτ=0.493×σθの関係から逆算して、スリップが発生する時の降伏熱応力(=σθ)を求めると、
【0025】
σθ(T)=4.6×10−2exp(0.38eV/kT)MPa (4)
【0026】
で得られることがわかる。尚、(1)式を再度用いてスリップが発生するウエハ中心部と周辺部の温度差Δ=T(0)−T(R)を求めたものが、スリップ発生臨界内外温度差Δである。これは(1)、(4)式から、
【0027】
Δ(T)=9.2×10−2exp(0.38eV/kT)/αE (5)
【0028】
で与えられる。スリップ発生降伏熱応力(=σθ)は、450℃では約20MPa、600℃で約7MPa、800℃では約3MPaである。
ここでは、スリップ発生の降伏熱応力を温度の関数として実験から求め、さらにどれほどのウエハ面内の温度差によってスリップが発生するかということを明らかにしたところに意味がある。ただし対象はノンドープGaAsである。
【0029】
【発明が解決しようとする課題】
SiやGaAsを初めとする半導体デバイスでは、しばしば薄く急峻なドーピング層を形成する必要がある。特にGaAsのMESFETやHEMTでは浅くて高濃度で急峻な活性層形成がデバイス性能向上のためには不可欠になってきている。FETの場合SI−GaAsにnチャネルを形成し、その両端にソース電極、ドレイン電極を付け、中間に絶縁膜を介してゲート電極を設ける。nチャネルはn型不純物をマスクを介してイオン注入することによって形成する。ゲート電極に掛かった電圧によってチャネルに空乏層を発生させ、ゲート電圧の大きさによって空乏層の厚みを変化させて電流を制御する。ゲート電極に印加した電圧変化に対応して空乏層変化が迅速に起こるようにするためにはチャネル厚みが薄い方がよい。薄いだけでは電流がとれない。電流を大きくするにはキャリヤ密度を高くする必要がある。高速動作するFETはつまり、薄くてキャリヤ濃度の高いチャネルを要求する。高速化がすすむとチャネルの薄層化の要求はますます厳しくなる。
【0030】
チャネルの厚みはイオン注入のエネルギーが大きいと厚くなる。チャネルのキャリヤ密度はイオンビ−ム電流に比例する。薄いチャネルを形成するにはイオン注入エネルギーを低くしなければならない。これまで従来例として説明してきたものは、いずれも100keVとか150keVとかいうように100keVを越すエネルギーでSiをGaAsに注入している。当然に注入深さは深い。例えば前記の▲4▼の場合150keV、5×1013cm−2でSiを打ち込んだ場合、Si濃度のピークをもつ深さは100nm程度であり、Siドープ層は300nm程度の厚みを持つ。100keV、5×1012cm−2でSiを注入した場合Si濃度が1016cm−3以上の部分を厚みとみれば約300nmの厚みとなる。いずれも数百nmの厚みのあるチャネルとなる。
【0031】
本発明が対象にするのはもはやそのような分厚いチャネルでない。50nmとか70nmとかいった100nm以下の薄いチャネルが強く要求される。すると注入エネルギーも一桁小さくならざるを得ない。例えば10keVとか15keVといったような低エネルギーイオン注入をするということになる。このように小さいエネルギーで注入すると、Siは内部奥深くに入らずGaAsの表面近くに局在する。深さ方向に極めて急峻な勾配をもつSi濃度プロファイルが形成される。
【0032】
イオン注入を含むプロセスの場合、注入後に活性化アニールと呼ばれる熱処理を行う。イオン注入によってSiがGaAs格子を乱すので結晶性の回復という目的と、SiをGaサイトに入れるという目的がある。これは800℃以上の高温での熱処理である。このような高温かつ長時間の熱処理時には、基板中に注入した原子(ここではSi)やエピ層の中の原子(Si)は拡散してしまう。折角急峻な濃度プロファイルに形成した注入層であっても、アニール時の原子拡散によって濃度プロファイルがだれてしまう。プロファイルのだれは結果としてデバイスの性能の低下につながる。FETとする場合、所望の薄さのチャネルとはならない。より厚いものになる。チャネルが厚いとゲート電圧の変動が空乏層の増減を引き起こす時間が遅くなる。FETとしての動作速度が低下する。アニール時の不純物の内方への拡散はこれまでのものでも問題であったが、チャネル深さが浅いのでより深刻な問題になる。
【0033】
従来は100keV〜200keVの加速エネルギーでSiをGaAsに注入し200nm〜300nm程度のチャネルを形成していた。例えばアニール時の拡散によってSi濃度プロファイルが内部へ30nm広がったとしてもチャネル幅は1割増えたに過ぎない。ところが現在のGaAs−FETやHEMTが要求するチャネルは20nm〜50nmといった極薄いものである。たとえば拡散でSi分布が内側へ30nm広がったとすると、チャネル幅は約2倍も増えたことになる。これは深刻な問題である。もともと注入層が薄いので同じ拡散量であっても影響が異なる。
【0034】
それだけではない。薄いだけでなくGaAs−FETのnチャネルは高濃度キャリヤが含まれていなければならない。時間τにおける拡散長は(Dτ)1/2によって評価でき、これは濃度を含まない。しかし拡散の速さ自体は濃度に比例する。拡散流はj=−DδN/δzだからである(NはSi濃度、zは深さ方向)。高濃度のチャネル形成をするので同じ拡散係数Dであっても拡散量は濃度Nに比例して格段に多くなる。薄い層であって高濃度であるから拡散の影響がより重大になるのである。アニール時の拡散の抑制ということが重要になる。
【0035】
注入したイオンの急峻な濃度プロファイルを維持するためアニール時に原子の拡散を小さく抑えなければならない。熱処理中の原子拡散を小さく抑えるためには、半導体ウエハが高温にさらされている時間をできる限り短くすることである。そのためにはアニールに長時間掛けてはいけない。その場合に、急昇温、急降温できる短時間のアニールであるRTAが有効であることが知られている。赤外線を発するランプによって加熱するものであり熱容量が小さいので急速加熱、急速冷却に向いている。そこでSi注入GaAsのアニールに、急昇温急降温を行うことのできるRTAがしばしば用いられる。
【0036】
しかしながら急昇温、急降温を行う場合、特に大口径の基板では、中心部と周辺部で温度差が付き易い。加熱、冷却は周辺部からなされるので中心部の温度変化が遅れる傾向にある。つまり加熱の時はウエハの中心部より周辺部が高温になり易い。冷却の場合はウエハの周辺部より中心部が高温になりやすい。そのためにウエハ面内で温度差が生じる。ウエハ内での温度差が甚だしいと、ウエハ反りやスリップ欠陥などが発生する。
【0037】
反りやスリップのために、露光時にアライメントずれがおこる。特に周辺部においてデバイス製造の歩留まりが低下するという問題があった。
【0038】
昇温の場合はウエハ内での温度差を緩和する手段がある。赤外ランプの強度分布を最適化することによってウエハ中心、周辺部の温度差をより均一にすることができる。これは積極的に加熱するから可能なのである。
【0039】
ところが降温時は自然放冷によるのでランプパワーによって制御するというわけにはゆかない。自然放冷であるからウエハ周辺部からの放熱が優勢である。それに対して中央部からの熱伝導や輻射による損失が追い付かない。降温速度が大きければ大きいほど中心と周辺での温度差が著しくなる。ウエハ面内での温度分布の均一化が難しくなる。その結果ウエハ面内に応力が発生し、ウエハが反ってしまう。また臨界剪断応力を越える応力が発生した場合にはスリップ転移が生じる。露光の際に基板周辺部でのパターンずれを起こし、デバイス製造の歩留まりを低下させてしまう。
【0040】
このような現象は、GaAsにおいて特に顕著に現れる。Siよりも臨界剪断応力が小さく熱伝導度が低いからである。
【0041】
これまでにSiをイオン注入してGaAsのFETを作製するためにイオン注入後GaAsをアニールしなければならないことを説明した。アニールの際にSiが拡散しないように急速にアニールする必要があることを述べた。急速に温度変化を与えるとウエハにスリップ欠陥が生じ歪が発生することも説明した。次に実際に本発明者がSiドープGaAsについてRTA、電気炉アニールして残留歪とスリップを調べた結果を具体的に述べる。
【0042】
[本発明者の行ったGaAsへのSiイオン注入]
4インチGaAsウエハ全面にSiイオンを10keV、1.5×1013cm−2の密度でイオン注入した。FETを作製する場合はマスクを使って選択的にチャネル部分だけにイオン注入するのであるが、ここではウエハ全面での残留歪とスリップ欠陥を調べるのが目的なので全面にイオン注入したのである。10keVというのは従来例として説明した加速エネルギー(100keV〜150keV)の1/10以下のエネルギーである。Siイオン濃度分布は表面から20nm〜30nmの薄いものである。これをRTA(870℃、2秒)、電気炉アニール(800℃、20分)の二つの方法によってアニールした。
【0043】
[1.RTA(ランプ加熱)によるアニール]
このSi注入GaAsウエハをRTA装置によって、最高温度870℃で2秒保持する条件の活性化アニールをした。昇温は一定速度で行った。降温はランプを消して自然冷却に任せた。
その前後のウエハ面内歪(ここでは|S−S|のみを示した)を光弾性法によって測定した。これは結晶の歪と複屈折とが比例することを利用して光学的に歪を測定するものである。歪というのは伸びを元の長さで割ったものである。歪に弾性係数(ヤング率など)を掛けると単位面積あたりの力になる。ウエハは薄くて回転対称だから半径方向の歪Sと接線方向の歪Sに分けて考えることができる(厚み方向は考えなくてよい)。光弾性法では二つの歪の差の絶対値|S−S|しか分からない。
【0044】
図1はRTA処理をする前の残留歪(左)、RTA処理後の残留歪(中央)、顕微鏡観察したスリップパターン(右)を示すものである。残留歪は白地から黒字へ連続的に変化する諧調によって表現した。白地は歪が0である。黒字は2×10−5を示す。残留歪は伸びを元の長さで割ったものだから無次元の数である。これに弾性係数を掛けると圧力(MPa)の単位になるが、それは応力であって歪でない。ときに応力で歪を表現することもあるが、両者を区別するべきである。
【0045】
RTA前(図1左)、残留歪は中心と周辺では小さい。中間部◇部分で残留歪が高くなっている。(100)ウエハであって、図の手元側にオリエンテーションフラット(OF)があるこれは(011)面である。中間部の[0±10]、[00±1]方向に残留歪の大きい部分ができる。残留歪の面内の平均値は4.75×10−6である。熱処理前はスリップが発生しないからスリップパターンは図示しない。
【0046】
870℃2秒のRTAを行った後の残留歪(図1中間)は全体的に増大する。
熱を掛けるから歪が増えるのは当然である。中心部がより黒くなっている。つまり中心部で残留歪が増えている。それよりもっと顕著な違いは周辺部での残留歪の増加である。残留歪が最大であるのは中間部の◇部である。全体的に残留歪が増えているから残留歪平均値は6.47×10−6に増加している。図1の右端は顕微鏡で見たスリップパターンを示す。周辺部で幾つものスリップが生じている。いずれもスリップの起こる面は{111}面である。スリップの方向はスリップ面に直交する<110>の方向である。残留歪が6.47×10−6のように大きいのでスリップが発生するし歪が生じる。
【0047】
[2.電気炉アニール(FA)]
同じSi注入GaAsウエハを電気炉によって、最高温度800℃で20分保持する条件の活性化アニールをした。一定速度で昇温して、冷却は自然放冷で行っている。
【0048】
図2は電気炉アニール処理をする前の残留歪(左)、電気炉アニール処理後の残留歪(中央)、顕微鏡観察したスリップパターン(右)を示すものである。図1と同じく残留歪は白地から黒字へ連続的に変化する諧調によって表現した。
【0049】
アニール前(図2左)は同じイオン注入をしたものだから図1のRTA前と同じ特性をもつ。残留歪は中心と周辺では小さい。中間部◇部分で、[0±10]、[00±1]方向に残留歪が高くなっている。残留歪の面内の平均値は4.75×10−6である。熱処理前はスリップが発生しないからスリップパターンは示さない。
【0050】
800℃20分のFA(電気炉アニール)を行った後の残留歪(図2中間)は全体的に大きく増大する。熱を掛けるから歪が増えるのは当然であるが処理前と分布が異なっている。中心部がより白くなっている。つまり中心部で残留歪が減少している。アニール前に残留歪の大きかった中間◇部分での残留歪が減っている。中心近くで残留歪の顕著に集中している部分が新たに発生している。周辺部では残留歪が大きく増えている。アニール前と後では残留歪分布が反転したような感がある。アニール後での残留歪の平均値は1.03×10−5である。アニールによって2倍以上に増大している。RTA後の残留歪と比較しても1.6倍になる。増えている。それよりもっと顕著な違いは周辺部での残留歪の増加である。図2の右端は顕微鏡で見たスリップパターンを示す。周辺部での残留歪が大きいにも関わらずスリップは生じていない。RTAの場合にはスリップが多数発生しているがFAの場合はスリップが殆どない。
【0051】
電気炉アニールの場合、長時間の加熱にもかかわらずスリップが発生しないのは長所である。しかし電気炉アニールには別異の欠点がある。長時間加熱するからSiイオンが熱拡散して内部奥深くまで侵入してしまうということである。拡散によって、Siが内部に侵入すると設計値よりも厚いチャネルができてしまう。チャネルが厚いと漏れ電流が発生したりする。またFETとしての応答速度が低くなる。つまりスリップと歪だけが問題でないということである。
【0052】
[深さ方向のSi原子の分布]
そこでSIMS(Secondary Ion Mass Spectrography)によってウエハの深さ方向のSiイオン分布プロファイルを調べた。これはアルゴンイオン等を試料表面に打ち込んで飛び出してくる二次イオン量を測定するものである。ウエハ表面をエッチングしながら二次イオンとして飛び出してくるSiイオンの量を測定すると深さ方向のSi濃度が求められる。
【0053】
RTA後のウエハとFA後のGaAsウエハについてSIMSで調べた注入Siイオンの深さ方向のプロファイルを図3に示した。横軸は深さ(nm)、縦軸はSiイオン濃度(cm−3)である。
RTA後のSi濃度は表面で1.5×1018cm−3である。5nm深さでピークになり5×1018cm−3に達する。以後濃度は深さとともに下降する。30nm程度で1×1018cm−3に低下し、50nm深さでは2×1017cm−3になる。61nm深さで1×1017cm−3となる。
【0054】
電気炉アニール(FA)後のSi濃度は表面で1.5×1018cm−3である。4nm深さでピークになり3×1018cm−3に達する。以後濃度は深さとともに下降する。45nm程度で1×1018cm−3に低下し、50nm深さでは8×1017cm−3になる。70nmで1×1017cm−3となる。
【0055】
この二つのSi濃度分布を比較すると、電気炉アニールによってSi原子が内部へ拡散していることが分かる。チャネルの幅は、基板であるノンドープGaAsのキャリヤ濃度によって多少定義が変動する。Si−FETと違ってpn接合はできないが基板のGaAsよりもキャリヤ濃度が格段に大きいというところがチャネルである。
【0056】
例えばn≧5×1017cm−3までをnチャネルと定義するとすれば、RTAによるものは約40nmとなり、これはイオン注入での幅と殆ど変わらない。FAによるものは約57nmとなり、イオン注入での分布から1.4倍にも広がっている。
【0057】
あるいは例えばn≧2×1017cm−3までをnチャネルと定義するとすれば、RTAによるものは約50nmとなりこれはイオン注入での幅と殆ど変わらない。FAによるものは約63nmとなりイオン注入での分布から1.3倍に広がっていることになる。つまり、この範囲では電気炉アニール(800℃、20分)によってSiが内部へ13〜17nmも拡散したということである。
【0058】
もしもイオン注入エネルギーが150keVのように大きくSi濃度分布が300nm程度まで広がっているとすれば、15nm程度拡散してもチャネル幅増加はたかだか1.05倍程度で大した問題にならない。ところが本発明は極めて低いエネルギーでSiを注入して格段に薄いチャネルを作ろうとしているから僅かな熱拡散による幅の増加であってもその割合は大きくなる。
【0059】
これらの結果から、RTAによる活性化アニールは、電気炉アニールに比べ、注入したSiイオンの拡散を小さく抑えられることがわかる。それはアニール時間が短いからである。Siの拡散を抑制し設計通りの浅いチャネルを作成するにはRTAが適しているということである。それはそうなのであるが先述のようにRTAにも欠点がある。その欠点は図1(RTA)の右端の図と、図2(FA)の右端の図を比較すればわかる。RTAは、電気炉アニールより、アニール時にウエハ面内に歪が生じ易い。為にRTAは電気炉アニールよりもスリップ、歪みが発生し易い。浅いSiの拡散が起こらないようにするにはRTAが適するがスリップ、歪が発生しないようにということでは電気炉アニールが良い。
【0060】
RTAによる急速アニールによってもスリップや歪が発生しないような改善されたアニール法を提供することが本発明の目的である。
【0061】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体デバイス製造工程におけるRTAを含む熱処理において、降温時或いは昇温時に温度変化を一時的に止めたり減速する待機ステップを設けることを特徴とする。降温時や昇温時に待機ステップを設けて周辺部と中央部の温度を接近させる。ステップは1回だけでもよいが2回、3回と挿入しても良い。特に降温時に待機ステップを設けるのが有効である。降温時のほうが内外温度差が顕現しやすいからである。もちろん昇温時にも待機ステップを設けても良い。
【0062】
ここで待機ステップというのはウエハの温度変化を一時的に停止あるいは減速するものである。温度変化を完全に停止するものを待機ステップ、減速するものを減速ステップとよんで区別することもできるが、本発明では両者を含めて待機ステップと呼ぶことにする。というのは両者を区別するのが難しいからである。ランプやヒ−タパワーは調整可能であるから完全に一定値に固定できる。その場合を待機ステップとよび、パワー変化を減少させるものを減速ステップと呼ぶようにはできる。しかし、それは制御変数の変化のモードが異なるだけである。ウエハの温度変化は完全に一定値に固定できない。温度変化が遅くなるという点では待機ステップも減速ステップもあまり変わらない。だから結果からいって両者を区別する利益はない。以下においても待機ステップと減速ステップとを区別することもあるが、両者を含めて待機ステップと言っているところもある。
【0063】
ウエハの温度というのは事後的に決まるものであり直接に制御できない。ランプ出力Wが直接に決定できる変数である。ランプ出力を変えることによってウエハ温度変化を停止させるのであるが、その関係を決める必要がある。だから待機ステップを与えるためのランプ出力というのは予め計算や実験によって決めておく必要がある。降温時と昇温時の待機ステップは互いに相反する温度シーケンスに対応する。
【0064】
降温時の方が理解が容易であろう。ランプを消して自然放冷(δT/δt<0)している時に待機ステップを設けるということは一時的にランプを点灯してウエハ加熱することである。ランプからウエハへの給熱とウエハから廻りへの放熱が釣りあって温度変動が一時的に停止(δT/δt=0)するか、一時的に減少する(δT/δt≧0)。ランプ点灯時刻をtとし消灯時刻をtとする。これがいくつか繰り返されるとする。点灯時間t〜tは待機ステップの長さに等しくする。これは簡単であるがランプ出力をどれだけにするか?ということは実験或いは計算によって決める必要がある。
【0065】
昇温時に待機ステップを挿入するという場合は、一時的に昇温を停止、或いは減速するようなランプ出力を設定するということである。ランプを消すかランプ出力を微弱にすることである。ランプは消すという事以上に弱くできない。それで温度によっては昇温時に待機ステップを設けることができないということもありうる。その場合であっても減速ステップを挿入することは可能である。
【0066】
RTA時における基板面内の温度差は、使用するRTA炉や熱処理条件によって異なる。昇降温時の待機ステップの条件は、炉やRTA条件に合わせて設計する必要がある。また完全にδT/δt=0とする完全待機ステップでなくても、昇温降温の速度を一時的に落とすような温度シーケンス(減速ステップ)でも同様な効果が期待できる。減速ステップも炉やRTA条件に合わせて設計する必要がある。
【0067】
待機ステップ、減速ステップを含む本発明の温度シーケンスを適用する事により、急速な降温、昇温を伴う熱処理であっても基板の歪およびスリップの発生を抑制できる。RTAのような急速熱処理によれば注入層やエピ層を形成する各種原子の拡散を抑制することができる。本発明はスリップ、歪のない急速熱処理法を与えるので、これによってデバイス製造の特性向上、歩留まり向上が期待できる。
【0068】
【発明の実施の形態】
RTA後のGaAsウエハにおいて周辺部に多数のスリップ欠陥が発生する(図1右欄)のはどうしてか?これが問題である。その原因を明らかにするために、4インチSiウエハの中心と周辺に熱電対を埋め込んだ。中心の温度Tと周辺の温度Tを知るためである。このSiウエハはGaAsではないしSi注入もしていない。単なるSiウエハである。問題とするウエハそのものでない。が、RTAにおけるウエハ内の温度分布の変動を知るためにはこれでも有用である。SiはGaAsよりも熱伝導率が高いので、GaAsであるとこの結果よりも大きな温度差が生じるはずである。
【0069】
このSiウエハをRTAによって熱処理した。ランプ出力Wとウエハ中心の温度Tと周辺の温度Tの時間(t)変化を測定した結果が図4である。横軸はアニール時間(秒)であり、縦軸はパワー、温度である。一点鎖線はランプパワーW、実線は中心部温度T、破線は周辺部温度Tである。
【0070】
ランプ出力はイロでは一定の出力であってウエハは約520℃まで加熱されている。昇温は520℃(A)程度から開始する。これは拡散などが起こらない温度である。t=5.7秒の時、ロハというようにランプパワーWを瞬時に増やす。ハからランプパワーを一定割合で増加させ、ニ点(t=21.4秒)にいたる。ここで2秒間ランプパワーを一定最大値ニホに保つ。ホ点(t=23.4秒)までである。ホ点でパワーをホヘというように瞬時に落とす。ヘ点(t=23.4秒)から3秒程度同じパワーをト点(t=26.8秒)まで保つ。ト点でパワーを最小値にトチというように落とす。チ点(t=26.8秒)以後ワ点まで同じ最小のパワーである。最大パワーニホ、最小パワーチワというのはこの温度シーケンスでの最大、最小ということで装置性能の最大、最小ということでない。
ランプ出力であるからパワーの急激な増加減少を実現するのは容易である。またランプ加熱であるから熱容量が小さくてランプパワー変動が短時間でウエハ温度変化に反映される。
【0071】
520℃から、A、B、Cと、ウエハ温度は急激に連続的に上昇する。最高昇温速度は+21℃/秒である。C点(t=25秒)で最高温度870℃に達する。これがアニール温度である。ニホ点の中点(t=22.4秒)からの遅れは2.5秒に過ぎない。このようにパワー変動が直ちにウエハ温度変動に結びつくのがRTAの長所である。以後はCHJのように温度が下降して行く。平均の降温速度は−6℃/秒である。昇温と降温に速度の差がある。昇温はランプによって強制加熱するから温度は急上昇できる。降温は自然放冷であって熱を強制的に除くということができないから時間がかかる。降温速度が遅いのは放冷に時間がかかるからである。
【0072】
昇温時(ABC)は中心部温度Tと、周辺部温度Tにあまり差がない。開始から約25秒で最高温度870℃になる。その後(CHJ)は温度が減少する。降温時に中心部と周辺部の温度の差が現れる。ウエハ周辺からの輻射や熱伝導による冷却が主であるから周辺部の方(破線で示す)が先に降温する。降温開始から5秒後に温度差がはっきりと現れる。降温し始めてから20秒経たt=45秒では17℃の内外温度差がある。60秒では23℃の温度差がある。75秒ではやはり23℃の内外温度差がある。自然放冷であるから放熱は周辺から輻射によって行われる。だから中心の温度下降は周辺より遅れる傾向にある。
【0073】
昇温時はウエハの周辺部は中心部より先に暖められるが、その温度差は小さい。といっても昇温時にも内外温度差はありうる。これを防ぐためにランプの最適化を行い、500℃付近で昇温を5.7秒間停止するという待機ステップ(イロ)を設けている。それによって昇温時の内外温度差は小さく押さえられている。
【0074】
しかし降温時は自然放冷によるからどうしても熱が周辺部から先に逃げ周辺部温度の方が低い(T>T)。この場合のような急降温の時は中心部Tと周辺部Tの温度差は大きくなる。急降温時には、ウエハ中心と周辺部の温度差が大きくウエハの反りを生じたりスリップが発生したりする。スリップは熱応力により生じる結晶の滑り面での分解剪断応力が臨界剪断応力を越えたときに発生する。臨界剪断応力τは温度の関数である。ウエハ中心部と周辺部の温度差が大きいほど分解剪断応力は大きくなりスリップが発生しやすくなる。
【0075】
図4では中心部と周辺部に温度差があることは分かるが温度差自体は分かりにくい。そこでアニール時間tと内外温度差(Δ=T−T)を実線によって図5に示した。
【0076】
図5には破線によって予想されるスリップ発生臨界温度差Δをtの関数として書いている。特殊な表現であるから注意しなければならない。分かりにくいので詳しく述べる。本来スリップ発生臨界温度差Δはウエハ周辺温度Tだけの関数Δ(T)であるが、ここでは時間tの関数Δ(t)として描かれている。時間tとウエハ周辺温度Tの関係T(t)は予め分かっており、図4に示すような関係にあるからΔを時間の関数Δ(T(t))として書くことができるのである。それは温度プロファイルT(t)が決まっているから可能なのであって温度プロファイルT(t)が異なるともはや図5のような関数でなくなる。
【0077】
図5のような時間t−スリップ発生温度差Δの関係を与えるには次のようにする。時間tと温度T、Tは図4によって与えられる。つまりT(t)、T(t)が与えられる。これは昇温降温のプロファイルによって異なる関係である。温度TとTによって臨界剪断応力τが決まる。これは前記の従来例▲5▼、▲6▼などにも記載がある。▲6▼の中で述べた式(3)は臨界剪断応力τそのものである。ただし、その値を本発明に使うわけには行かない。臨界剪断応力τは結晶によって異なる。ドーパント、ドーズ量によっても変わる可能性がある。▲6▼はノンドープGaAsに具体的なτを与えている。本発明が対象にするのはSi注入GaAsであるからτはそれとは異なる。目的とするSi−GaAsについて温度の関数としてのτを予め求めておく必要がある。
【0078】
分解剪断応力τも熱応力σも応力が働く面を決めて初めて値が決まる。任意の方位の熱応力σと任意の方位の分解剪断応力τは比例する。比例定数は角度だけであり熱応力σから分解剪断応力τを計算することができる。スリップが起こるのは{111}面であり、ずれの方向は<011>である。その面を介したその方向の分解剪断応力が重要である。ここでは分解剪断応力τで論じることにする。ここで分解剪断応力というのは{111}面の両側に働く<110>方向の力である。その他の面のその他の方向の剪断応力は重要でないのでこれだけを考える。面と方位がわかっているからτにつくべきテンソル記号をここでは省略する。
【0079】
円筒対称のウエハであって内部歪がない場合、一般に分解剪断応力τは内外温度差Δのみの関数である。だからτ(T−T)によって与えられる。
分解剪断応力は内外温度差Δが大きいほど大きくなるであろう。一方臨界剪断応力τは温度Tが低いほど大きく温度が高いほど小さい。分解剪断応力τが臨界剪断応力τに等しいとおいて、τ(T)=τ(T−T)、臨界剪断応力τを与える臨界温度差Δ=(T−Tが温度Tの関数(T−T(T)として得られる。τはΔが大きいほど大きいし、τは温度が高いと減少するのであるから、τ=τとしてτを消去したものにおいて、臨界内外温度差Δは温度Tの増加とともに減少する筈である。多少分かりにくいが、そういうことである。このようにしたのものは従来例▲5▼である。▲5▼は臨界温度差Δを温度の関数Δ(T)として求めている。本発明もそのような考え方をとるが対象が違うから▲5▼の関数をそのまま採用できない。本発明はSiイオン注入GaAs基板であるから、これについて実験によって臨界温度差の温度依存性Δ(T)を求める。これだけでは図5のようなグラフを描く事ができない。時間軸に引き直す必要があるからである。
【0080】
アニールのモードを決めると(図4のように)時間tと温度T、Tの関係T(t)、T(t)が決まる。だから臨界剪断応力を与える臨界温度差Δ=(T−Tが時間tの関数として得られる。臨界温度差Δは、温度Tが低いと大きく、温度Tが高いと小さい。時間軸に引き直すとtが25秒までは温度が上がるから|Δ|は減少する。25秒以後は温度が下がるので|Δ|は増加する。これが図5に破線によって示した上下の臨界温度差曲線Δ±である。上下二分肢存在するのは、Δが正(T>T)の場合も、Δが負(T<T)の場合も同様にスリップが起こり得るからである。上分肢をΔ+、下分肢をΔ−とする。
【0081】
臨界温度差曲線の上分肢Δ+は、アニールの最初(カ)で高く、減少して、最高温度(T=870℃、t=25秒)(ヨ点)でもっとも低くなる。以後の降温時(ヨタレソ)には温度が下がり臨界温度差が増える。臨界剪断応力は内外の温度差の絶対値にだいたい依存するから、上分肢Δ+を、基線T−T=0に関して折り返したような下分肢Δ−(ツネナラ)が存在する。下分肢は初め(ツ)絶対値の大きい負数であるが最高温度(T=870℃、t=25秒)で絶対値の小さい負数(ネ)になる。降温時(ネナラ)にはより絶対値の大きい負数になってゆく。上分肢Δ+と下分肢Δ−に挟まれた領域は、熱による分解剪断応力τが臨界剪断応力τよりも小さい範囲である。昇温時の温度が低いときは(T−Tの上下分肢の間隔は広い。温度が上昇すると、上下分肢の間隔が狭くなる。最高温度(T=870℃、t=25秒)で最も狭く(ヨネ間)なる。これを過ぎると温度が下がるから臨界温度差(T−Tが開いてくる。
【0082】
以上に述べたものは、臨界温度差Δの時間変化である。黒点と実線は内外温度差Δ=T−Tの時間変化を示す。加熱の初め(K;t=0)は周辺部が温度が高く中心部が低いのでΔ=T−Tは負である。13秒まではΔ=−4.2℃程度の差である。昇温とともに内外温度差は上昇しL点(t=21秒)で0を切る。温度差は正になる。870℃の最高温度に達した時(M点;t=25秒)であるがその時の温度差は2℃で小さい。これから自然放冷を始めるので周辺部の温度下降が先行して温度差が開いてゆく。t=30秒で6℃となる。
【0083】
重要な事は、N点(t=32秒)で温度差Δが、臨界温度差Δ+に交差するということである。N点でΔ=Δ+=7℃となる。温度T=825℃である。内外温度差が7℃であり、この温度で臨界内外温度差が7℃なのである。ここでスリップ発生が許容される状態になる。以後ΔはΔより大きくなるからスリップ発生により熱応力が緩和されるまでスリップ欠陥が増殖してゆく。45秒でΔ=17℃、60秒(P点)でΔ=23℃程度になり以後最終点Q(t=78秒、T=570℃)まであまり変わらない。N点(32秒)〜Q点(78秒)までスリップが発生し得る状態が長らく続く。これらの考察から、スリップ欠陥は降温時の850℃〜750℃の付近で発生し始めたものと推定される。
【0084】
スリップ発生を抑制するにはどうすれば良いのか?ウエハの中心部温度Tと周辺部温度Tの差が大きくなりすぎないようにすれば良い。特に温度が高い時に、温度差(T−T)が大きくならないようにすることが必要である。特に降温時に内外温度差を縮めることができればよい。ここまでが本発明がなされるべき課題の提示である。内外温度差を縮めれば良いということ、どれほど縮めればよいのかということも定量的に分かってきた。ここで途が分かれる。従来例として述べた▲5▼、▲6▼はともに出願人の手になるものであるがウエハ内外温度差を縮めるためにまことに直載な手法を採用している。▲5▼、▲6▼はウエハの面内の温度分布を二次元的に計測する放射温度計と、内外方向3重同心円のヒ−タH、H、Hを設けている。放射温度計によってウエハの至るところでの温度T(x,y)を繰り返し求め、内外温度差が生じた時は低温になった領域に近いヒ−タパワーを高め、より高温になった部分のヒ−タパワーを低くする。温度計測とヒ−タパワー調整を組み合わせ温度変化を厳密に制御しようとするものである。しかし、そのようにするにはヒ−タを同心状に3種類設ける必要がある。また上方から放射温度計で常時温度を計測していなければならない。内外3重にヒ−タを設けるというのはランプ加熱には応用できない。なにより構造が複雑になりすぎる。熱電対一つだけで計測するというわけに行かない。
【0085】
[本発明の制御方法]
より簡単な装置と、より単純な制御が望ましい。本発明者は降温時(叉は昇温時)に一時的に温度低下を中止する(待機ステップ)か温度低下速度を落とすようにする、ということを思いついた。
(a)昇温時; 昇温時に一時的に昇温を停止する、あるいは昇温速度を落とす。中心部の温度Tが周辺部温度Tに追いつくから平均化されるであろう。ランプパワーを落とすことによって昇温停止、昇温減速できる。ランプを消してしまうのも有効であろう。昇温時の待機ステップの場合、何度(T?)で昇温停止するかというのが一つの問題である。温度上昇を停止する時間の長さ(t?)がどれほどであるかがもう一つの問題である。
(b)降温時; 降温時に一時的に降温を停止する、或いは降温速度を落とす。中心部の温度Tが周辺部温度Tに追いつくから平均化されるであろう。自然放冷している場合はランプ、ヒ−タを一時的に点灯して加熱する。加熱と放冷が釣りあうようにすれが降温を一時停止(待機ステップ)できる。加熱が厳密に釣りあわなくても降温速度を一時的に低下させることができる(減速ステップ)。自然冷却の場合でなくランプ加熱しながら冷却する場合でも待機ステップ、減速ステップを設けることができる。降温の場合も何度で(T)で降温停止するのか?何秒間停止するのか(t)という問題がある。
【0086】
降温でも昇温でも待機ステップ、減速ステップを温度シーケンスに挿入する事によってスリップ発生を防止することができる。本発明の温度シーケンスの設計において留意する点は、以下の2点である。
(1)スリップが発生する温度帯付近で待機ステップを設ける。
(2)待機ステップの時間を可能な限り短くする。
【0087】
注入したSiイオンの拡散を小さく抑えるには、ウエハが高温にさらされる時間をできるだけ短くする必要がある。Siが拡散するとチャネル幅がひろがりFETの漏れ電流が発生するのである。待機ステップを設けるとそれだけ拡散時間が増えるから拡散が増える。だから待機ステップは短い方がよい。これが条件(2)の要求するところである。ただ短ければよいというものでない。スリップが発生するような温度で待機ステップを設けないと意味がない。これが条件(1)のいうところである。スリップが発生するような温度というのはτ(T)が特に低下するような温度のことである。スリップが発生しやすい温度帯というのは単にτ(T)だけでなくて降温時、昇温時において内外温度差が集積されて増大しているときである。(2)の問題についてさらに述べる。GaAs中のSiイオンの拡散距離は次式で与えられる。
【0088】
Δd= (Dτ)1/2 (6)
【0089】
ここでDは拡散係数であり温度の関数である。高温であるほどDは大きい。τはその温度にさらされる時間である。拡散係数は次のような形をしている。
【0090】
D=Dexp(−E/kT) (7)
【0091】
GaAs中のSiの拡散に対して、D=0.7cm/s、E=3.2eVである。これは
【0092】
▲7▼ ダダンスダンディ、松本智「LEC半絶縁性GaAsのSi拡散におけるメルトストイキオメトリの影響」(1988年、春の応用物理学会、28p−ZE−10、p943)
に掲載された値である。つまりGaAs中のSiの拡散係数は
【0093】
D=0.7exp(−3.2/kT) (8)
【0094】
ということである。kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。今問題にしているアニールは、870℃で2秒保持するような熱処理である。最高温度時におこるイオンの移動距離Δdは(6)、(8)から求めることができる。これはΔd=1nmと計算できる。降温時に与える待機ステップの大きさはその間におきるSiイオンの拡散長Δdによって評価できる。待機ステップで拡散はできるだけ起こらない方がよい。待機ステップでの拡散長Δdは最高温度時の拡散長Δdの約20%以下にしたい(Δd≦0.2Δd)。
【0095】
例えば750℃に待機ステップを設けたとする。その時間tは式(6)において、拡散長Δd=0.2Δd=0.2nm、となるようなτとして計算することができる。すると待機ステップの時間は、t=4秒あるいはこれ以下である。
【0096】
【実施例】
GaAs4インチウエハ2枚に同じ条件(10keV、1.5×1013cm−2)でSiイオンを注入した。一方は通常のRTAでアニールし、他方は待機ステップを設けてRTAアニールし、両者を比較する実験を行った。
【0097】
[RTA] RTAアニールは870℃、2秒である。
【0098】
[待機ステップ] 待機ステップは750℃で4秒保持するものである。
【0099】
A.待機ステップを行わない試料ついて
RTA前の歪、RTA後の歪、スリップパターンは図1に示した通りであった。RTA前の残留歪は中央部と周辺部で小さく、中間◇部で大きい。平均残留歪は4.75×10−6である。RTA後の残留歪は周辺部で大きくなり平均は6.47×10−6であった。周辺部にスリップが多数発生している。
【0100】
B.待機ステップを設けた試料について
待機ステップを含むRTAを行ったときのウエハの中央部温度T、周辺部温度T、ランプパワーWの時間変化を図8に示す。520℃程度から始める。ランプ出力はイロで一定出力である。t=5.7秒のロ点で瞬時にパワーをハまで上げる。ハから21.4秒のニ点まで一様にパワーを上げる。23.4秒のホ点まで同じパワーを保つ。ホ点でランプパワーをヘ点(26.8秒)まで落とす。ヘト間は一定パワーとする。ト点(26.8秒)でさらにパワーを一定値に落とす(トチ)。チ点からリ点(41.4秒)まで一定パワーである。リ点で、リヌというように急にパワーを上げる。ル点(44.5秒)まで3秒間これを維持する。ル点からヲ点まで瞬時にパワーを下げる。以後ヲワまで最低パワーを保持する。リヌルヲが待機ステップである。最低パワーというのは完全消灯ということもありうる。待機ステップというのはイロ、ヘトも含まれるが、ここで新たに追加されているのはリヌルヲの部分である。ここでランプパワーが一時的に増大している。これによってウエハの内外温度差が減少する。温度差が減少するからスリップが起こらなくなる。温度差減少は、実線の中心温度T、破線の周辺温度Tをみることによってわかる。待機ステップと減速ステップとを区別する利益のないことがEF間の温度変動によってわかる。ヌル間でパワーが一定であるので待機ステップとよびたくなる。が、ウエハ温度はEFで一定でない。さればこれは減速ステップということになる。ウエハに及ぶ影響という点でパワーがステップ(δW/δt=0)となっていようといまいとそれはどうでもよいことである。
【0101】
520℃から、A、B、Cと、ウエハ温度は急激に連続的に上昇する。最高昇温速度は+21℃/秒である。C点(t=25秒)で最高温度870℃に達する。これがアニール温度である。ニホ点の中点(t=22.4秒)からの遅れは2.6秒である。ウエハが870℃に達したときランプパワーを2秒一定にするから、870℃、2秒のアニールという。以後はCDとウエハ温度が下降して行く。中央部(実線)より周辺部(破線)の方が下降速度が速い。
【0102】
ランプパワーをリヌルヲというように上げた効果は、ウエハ温度曲線EFの部分にすぐに現れる。ウエハ降温の速度が減少している。降温速度=0とはならないが減少していることがわかる。重要な事はEFの部分において中央部温度下降が周辺部温度下降により接近して来たということである。Eでの温度差Δより、Fでの温度差Δは小さい(Δ>Δ)。F点では縮小した温度差から降温を始める。図5のΔ曲線のO点でΔをORのように引き下げたということに等しい。Δが、臨界温度差Δより下へ引っ張られる(R点)。以後も温度差Δが増えるがΔを越えないで最終点Sに至る。つまりΔ(RS)<Δを維持できる。最高温度NからOまで僅かにスリップ発生の危険性がある。しかしその間にスリップが必ず発生するものではない。むしろ後のOQ間でスリップの発生する確率が大きい。待機ステップによってOQ間でのスリップ発生の可能性を排除することができる。だからRTA処理後のウエハにはスリップが殆ど生じない。これが待機ステップの効果である。
【0103】
もちろん短所もある。待機ステップを設けたため降温時間が余分にかかる。DEFGでの平均の降温速度は−4.7℃/秒である。870℃から600℃まで温度が下がる時間は6秒長くなっている。降温時間の増加は待機ステップの時間(ここでは4秒)と同じでない。
【0104】
待機ステップを含む温度シーケンスでRTAした同じ試料について、RTA前の歪、RTA後の歪スリップパターンを図6に示す。RTA前は残留歪は中央部と周辺部で小さく中間の◇部で大きい。平均の残留歪は4.69×10−6であった。RTA後の残留歪分布はRTA前と同程度である。中央部と周辺部で残留歪が少ないという分布は維持されている。平均の残留歪は4.53×10−6である。待機ステップのため残留歪が増大しなかったのである。スリップパターンをみればその効果はいっそう顕著である。ウエハ周辺部にスリップ欠陥が全く発生していない。またウエハ反りもなかった。
【0105】
待機ステップによって拡散が進行してしまっては効果が減殺される。そこでSIMSによって、RTA後の試料A(待機ステップなし)と試料B(待機ステップあり)のSi濃度を測定した。図7にその結果を示す。待機ステップありの試料Bの方が分布が僅かに右にずれているように見えるがそうでなく、Siの総量が多いので全体に上にもちあがった分布になっている。だから待機ステップによるSiの内奥への拡散は僅かなものであるということがわかる。
【0106】
C.よりはやい待機ステップを設けた場合
Bの試料は41秒から待機ステップを開始しているから、少し遅くて図5のNO間ではスリップが発生する恐れがある。図5でΔがΔを切るのはt=32秒であるから、870℃、2秒保持のt=26秒から、32秒の間に待機ステップを設けると、つねにΔ<Δとすることができる。例えば29秒〜32秒(850℃〜830℃)においてより短い待機ステップを設けるとよい。すると図9のように、つねにΔ<Δというようにできる。図9で30秒〜45秒で、ΔはΔに接近しているがこれを越える事がない。こうであればスリップが発生する可能性は0になる。当然に残留歪も小さくなって、ウエハ反りも起こらない。
【0107】
【発明の効果】
本発明は、半導体の急速な昇温降温を含む熱処理において、一時的に温度変化を停止或いは減速する待機ステップを設ける。周辺温度Tと中心温度Tが接近するのでウエハ内部の熱応力が減少する。ためにウエハの反りが発生せず、スリップの発生も少なくなる。デバイス製造時の歩留まりを上げることができる。
まだデバイスの性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】4インチ(100)GaAsウエハに、10keVで1.5×1013cm−2のSiイオンを注入した直後のウエハ面内残留歪の図と、870℃、2秒のRTAを行ったあとの残留歪の分布図と、ウエハ面内スリップパターンの図。残留歪は0が白で、2×10−5が黒で表されている。スリップはウエハ周辺部において、{111}面でおこり<110>方向に滑る。
【図2】4インチ(100)GaAsウエハに、10keVで1.5×1013cm−2のSiイオンを注入した直後のウエハ面内残留歪の図と、800℃、20分の電気炉アニールをした後の残留歪の分布図、ウエハ面内のスリップパターンの図。残留歪は0が白で2×10−5が黒で表されている。スリップはウエハ周辺部において、{111}面でおこり<110>方向に滑る。
【図3】4インチGaAsウエハに、10keVで1.5×1013cm−2のSiイオンを注入した後、870℃、2秒のRTAを行ったウエハと、800℃、20分の電気炉アニールを行ったウエハについて深さ方向のSi原子濃度分布の測定図。横軸は表面からの深さ(nm)、縦軸はSi原子濃度(cm−3)である。
【図4】4インチGaAsウエハに、10keVで1.5×1013cm−2のSiイオンを注入した後、870℃、2秒のRTAを行ったときのウエハ中心での温度T(実線)と周辺での温度T(破線)の時間変化を示すグラフ。横軸はアニール時間(秒)、縦軸は温度(℃)である。
【図5】4インチGaAsウエハに、10keVで1.5×1013cm−2のSiイオンを注入した後、870℃、2秒のRTAを行ったときのウエハ中心温度Tと周辺温度Tの差(T−T)の時間変化と、スリップ発生臨界温度差(T−Tの時間変化とを示すグラフ。横軸はアニール時間(秒)、縦軸は温度差(℃)である。
【図6】4インチGaAsウエハに、10keVで1.5×1013cm−2のSiイオンを注入した直後の残留歪の図と、870℃、2秒のRTAを行ったあと750℃で4秒間の待機ステップを設けた場合のウエハ残留歪の分布図と、ウエハ面内スリップパターンの図。残留歪は0が白で、2×10−5が黒で表されている。
【図7】4インチGaAsウエハに、10keVで1.5×1013cm−2のSiイオンを注入した後、870℃、2秒のRTAを行ったウエハ(待機ステップなし)と、870℃、2秒のRTAの後降温過程において750℃で4秒の待機ステップを設けたウエハについて深さ方向のSi原子濃度分布の測定図。横軸は表面からの深さ(nm)、縦軸はSi原子濃度(cm−3)である。
【図8】4インチGaAsウエハに、10keVで1.5×1013cm−2のSiイオンを注入した後、870℃、2秒のRTAを行い、降温の過程で750℃において4秒の待機ステップを設けた時のウエハ中心での温度T(実線)と周辺での温度T(破線)の時間変化を示すグラフ。横軸はアニール時間(秒)、縦軸は温度(℃)である。
【図9】4インチGaAsウエハに、10keVで1.5×1013cm−2のSiイオンを注入した後、870℃、2秒のRTAを行い、降温中の850℃〜830℃の間に約2秒の待機ステップを設けた時のウエハ中心温度Tと周辺温度Tの差(T−T)の時間変化と、スリップ発生臨界温度差(T−Tの時間変化とを示すグラフ。横軸はアニール時間(秒)、縦軸は温度差(℃)である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
Various heat treatments are performed in the semiconductor device manufacturing process. One of them is an activation annealing process after ion implantation. The present invention proposes an improved method of annealing after ion implantation. For example, annealing is required when fabricating a GaAs FET. The electron mobility of GaAs is considerably larger than that of Si. A GaAs-FET utilizing the high speed of electron mobility is used. Since GaAs has high electron mobility but low hole mobility, n-channel type FETs using electrons as carriers are mainly used.
[0002]
Unlike Si, genuine semiconductor GaAs is semi-insulating. This is an advantageous property for fabricating an FET. Semi-insulating GaAs is used as the GaAs FET substrate. An n-channel is formed on a part of the surface of the substrate, a drain region and a source region are formed at both ends of the channel, a drain electrode and a source electrode are provided, and a gate electrode is formed in the middle to form an FET element. Alternatively, an AlGaAs layer and a GaAs layer may be epitaxially grown on a GaAs substrate, a two-dimensional electron gas localized in a thin layer may be created using a difference in band gap, and the HEMT may be used as a carrier.
[0003]
In order to directly form an n-channel portion in a strip shape on a semi-insulating GaAs substrate, an n-type dopant may be thermally diffused and ion-implanted through a mask. Thermal diffusion increases the dopant concentration on the surface and is difficult to penetrate inside. Ion implantation is more suitable for forming a constant concentration n-type region. Therefore, an n-type dopant is ion-implanted in a strip shape to form an n-channel near the GaAs surface. For this purpose, Si ions are used. When Si ions are accelerated and implanted into GaAs and Ga in GaAs is replaced by Si ions, this becomes an n-type impurity and forms an n channel. However, only by ion implantation, the position of Si ions is still random and does not enter the Ga site. In addition, the GaAs lattice is also disturbed by ion implantation. Therefore, the lattice is repaired and Si is annealed to replace the Ga site. By applying heat, Si is an n-type impurity and the Si implantation region is an n-channel. The channel depth can be controlled by the ion implantation acceleration energy. The dopant density is determined by the current density of the ion beam and the implantation time.
[0004]
[Prior art]
Conventionally, a thin n-channel is formed by implanting Si ions at a low current density with an acceleration energy of about 100 keV or higher. However, higher speed GaAs-FETs have been demanded. In order to meet the demand for higher speed, a thinner n-channel is required. The FET principle is to control the current by forming a depletion layer in the n-channel with the voltage applied to the gate electrode and changing the size of the depletion layer. Therefore, the thinner channel is more suitable for higher speed. To make a thin channel, ions must be implanted with low acceleration energy. A Si layer having a steep density profile can be formed by low energy implantation. But don't just be thin. In order to obtain a sufficient current density at the time of ON, it is desirable that a high concentration carrier exists in the n channel. That is, it is necessary to implant an ion beam having a low energy and a high current density.
[0005]
In addition, it is necessary to suppress diffusion of ions by annealing.
Since annealing is a heat treatment, ions easily move and cause a diffusion motion that lowers the concentration difference. There is a possibility that the density distribution is averaged by diffusion and the steep concentration profile is lost. This is a problem. Annealing is an indispensable process for repairing the disorder of the GaAs lattice and fitting Si into the Ga site, but this always involves diffusion. Even if a thin Si injection layer is formed, if Si diffuses, it becomes a thick n-channel. If the channel is thicker than the design value, the speed cannot be increased and a leakage current is generated, which is disadvantageous.
[0006]
(1) Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-114218 “Method of annealing compound semiconductor” (inventor: Toshio Nonaka, Seiichi Takahashi, Kenichi Kimura, Masahiro Ike, applicant; Oki Electric Industry Co., Ltd.) When annealing is performed by ion implantation, the problem is that crystal distortion occurs due to thermal strain. In particular, the generation of defects due to annealing is remarkable in a large-diameter GaAs wafer. In the conventional annealing, the temperature rise rate U and the temperature fall rate W are not controlled at all by simply specifying the annealing temperature Ta and the time t, so that crystal defects occur. In order to solve this problem, the GaAs substrate is heated in a temperature range in which arsenic is not dissociated at 400 ° C. to 600 ° C., the temperature is increased at a rate of U = 5 ° C./min to 15 ° C./min, and the annealing temperature Ta (800 C. to 900.degree. C.), for example, the temperature is kept for 20 minutes for annealing, and the temperature is lowered at a rate of W = -5.degree. C./minute to -15.degree. Si ions accelerated from 60 keV to 100 keV 10 12 -10 13 cm -2 This is a dose amount of about.
[0007]
This is significant in that the range of the heating rate U and the cooling rate W is clearly defined. The rate of temperature change is clarified as 5 ° C./min to 15 ° C./min. The ion implantation energy is high and the implantation depth is deep. The thickness of the n channel is also large. Temperature change rate is slow. The rate of temperature change is uniform. dW / dt = 0, dU / dt = 0.
[0008]
(2) Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-129570 “Semiconductor Device Manufacturing Method” (inventor: Akiyoshi Yoshida, applicant: Murata Manufacturing Co., Ltd.) describes that a slip is generated during annealing of a Si-implanted GaAs substrate. Try to prevent it. The Si ion-implanted GaAs is covered with a SiN film, placed in an infrared lamp annealing furnace, the substrate temperature is raised to 825 ° C. (850 ° C. in the figure) and held for 15 minutes, and 100 ° C./min or less, preferably 50 ° C./min The temperature is lowered to 300 ° C. at a temperature lowering rate of minutes. When the temperature was lowered at 200 ° C./min, many slip lines were generated, but at 100 ° C./min or less, there were few slip lines. The ion implantation energy is 150 keV and the dose is 5 × 10. 12 cm -2 It is. This also means that the temperature drop rate after annealing is only 100 ° C./min or less, and the temperature drop rate is uniform and does not change the speed temporarily. Since the implantation energy is high, the implantation is deep and the n-channel thickness is large.
[0009]
(3) Japanese Patent Laid-Open No. 10-172777 “Method and apparatus for heat treatment of compound semiconductor substrate” (inventor: Yoshihiro Saito, applicant; Sumitomo Electric Industries, Ltd.) horizontally arranged six 3 inch GaAs wafers vertically Heat treatment is performed in an electric furnace, but helium gas is introduced to increase heat conduction and reduce the temperature difference between the central part and peripheral part of the wafer. The temperature difference between the inside and outside of the wafer is eliminated by the excellent heat conduction of helium so that no slip line is generated. Since six wafers are processed at a time, the relationship with the furnace is not necessarily uniform for each wafer. Therefore, He having excellent heat conduction is used. GaAs is annealed at 800 ° C. for 25 minutes, but the heating rate U is 30 ° C./min. The temperature decreasing rate is 100 ° C./min, and all are uniform. He also recommends the use of He in the case of lamp heating furnaces in addition to electric furnaces.
[0010]
In an electric furnace, a heater wire such as a Kanthal wire is wound around the furnace material to generate Joule heat, and the object is heated by infrared radiation from the furnace wall. Temperature change is slow due to the large heat capacity of the furnace material. In the case of lamp heating, a large number of lamps are arranged side by side on the upper, lower, left, and right sides of the furnace and optically heated by applying lamp light to the object. The heat capacity of the furnace material is irrelevant. Only the heat capacity of the object and the susceptor is relevant. So it is suitable for rapid heating. RTA (Rapid Thermal Annealing) is designed to enable rapid heating and rapid cooling by lamp heating. RTA is a known technique, for example
[0011]
▲ 4 ▼ H. Kohzu et al., “Infrared rapid thermal annealing for GaAs device fabrication”, J. Appl. Phys., Vol. 54 (9), p4998-5003 (1983) is Si-doped for GaAs-MESFET. We propose lamp annealing using halogen lamps for GaAs annealing. The Si-implanted GaAs wafer is heated by infrared by attaching 17 halogen lamps, 8 in the upper part and 9 in the lower part. The Si implantation energy is 100 keV and 150 keV. Until then, electric furnace annealing was performed over time, so it was necessary to prevent As from being lost. To prevent this, the wafer surface has SiO 2 In other words, it was annealed with a SiN film. In the case of lamp annealing, heating is performed at a rate of 100 ° C./s, annealing is performed at 950 ° C. for 2 seconds, and then allowed to cool naturally. If lamp heating is started from 150 ° C., the temperature reaches 950 ° C. in about 7.5 seconds, is held for 2 seconds, and then is allowed to cool.
[0012]
The time from starting heating at 150 ° C., annealing, and returning to 150 ° C. by natural cooling is about 80 seconds and is extremely short. When the annealing time is 2 seconds, the optimum annealing temperature is about 900 ° C. In the case of 850 ° C., it should be kept for 10 seconds. The purpose of annealing is to replace the Ga site by the implanted Si and to recover the crystallinity. The results of annealing should be measured by the substitution of Si at the Ga site and the improvement in crystallinity. Here, the carrier concentration (electron concentration) is measured. When Si replaces the Ga site, one electron is generated. When Si replaces the As site, one electron disappears. A high electron concentration suggests that Si has replaced Ga. A value obtained by dividing the number of electrons by the amount of implanted Si is called an activation rate. This paper measures the effect of annealing by the activation rate (electrons / Si). Comparison is made between the case of annealing for 15 minutes in an electric furnace at 850 ° C. and the case of RTA at 950 ° C. for 2 seconds.
[0013]
When implanting at 150 keV, the RTA has a larger carrier concentration in the depth direction than the electric furnace annealing. The electron mobility also seems to be higher in the electric furnace annealing than in the RTA. When the implantation energy is 100 keV, RTA has a shallower carrier depth distribution than electric furnace annealing (FA).
[0014]
Thus, RTA is a general annealing technique. Regarding the annealing of GaAs, in addition to the above (1) to (3), there are the following documents by the present applicant.
[0015]
(5) Japanese Patent Application No. 9-42351 (Japanese Patent Laid-Open No. 9-321105) “Semiconductor Wafer Evaluation Method, Heat Treatment Method, and Heat Treatment Apparatus” (Inventor: Makoto Kiyama, Applicant: Sumitomo Electric Industries, Ltd.) Slip defects generated when epitaxial growth (600 ° C. to 700 ° C.), ion implantation, and activation annealing (800 ° C.) are performed on GaAs are a problem. When a GaAs wafer is heated during epitaxial growth and annealing, the temperature is not uniform inside and outside, and slip occurs in the peripheral portion. The slip surface is the (111) plane and the direction of deviation is [−110]. A 4-inch wafer is supported by a susceptor, and three concentric heaters are provided below the susceptor so that an arbitrary temperature distribution can be given in the radial direction of the GaAs wafer. An in-plane temperature distribution can be measured by a radiation thermometer that is provided with an opening above the furnace and can move two-dimensionally.
[0016]
It was examined whether slip occurred by giving various temperature differences Δ = T (0) −T (R) between the inside and outside of a 4-inch wafer. Slip is more likely to occur as the temperature difference Δ between the inside and outside increases, and as the temperature T (R) increases. Slip is likely to occur around the wafer. It may also occur in the center. Slip is unlikely to occur in the middle part. Slip at the periphery occurs when the stress σθ in the angular direction increases. Slip occurs even when Δ is positive (convex temperature distribution) or negative (concave temperature distribution). For example, when Δ is positive, tensile stress acts on the peripheral portion, and the occurrence of slip relaxes the tensile stress. The critical temperature difference at which slip occurs is a function of temperature Δ c Obtained as (T). This is a function that decreases as temperature increases.
[0017]
The present invention clarifies when slip occurs in annealing of GaAs. However, this cannot be used for actual manufacturing. It is difficult to always monitor the temperature inside and outside the wafer in actual annealing. The apparatus is complicated and the operation becomes complicated. A furnace equipped with three internal and external resistance heating heaters is special for experiments. It is difficult to use such a furnace capable of precise control at the manufacturing site. When a lamp is used for this purpose, the lamp is outside the vacuum chamber, so it cannot be provided on the inside / outside of the wafer. The significance of the present invention is that slip occurs when annealing a Si-implanted GaAs wafer because of the temperature difference Δ between the wafer center and the periphery, and the critical temperature difference Δ c Changes with temperature T, critical temperature change Δ c (T) is given specifically.
[0018]
▲ 6 ▼ M. Kiyama, T. Takebe & K. Fujita, "Quantitative analysis of slip defect generation during thermal processes in GaAs wafers", Inst. Phys. Conf. Ser. No155, Chapter 12 presented at 23 rd Int. Symp. Compound Semiconductors, St Petersburg, Russia, 23-27 September 1996, p945-948 (1996)
This is a condition for determining the condition for occurrence of slip defects when a non-doped 4-inch GaAs wafer is heated. It is not doped with Si but non-doped SI (semi-insulating) -GaAs. Si ions are implanted into a 4-inch GaAs wafer for activation annealing, but triple concentric heaters (center heater, intermediate heater, and peripheral heater) are provided under the susceptor. The temperature distribution {T (r)} can be given freely in the radial direction. The actual temperature of the wafer is measured from above with a radiation thermometer. Since the radiation thermometer can move two-dimensionally, the temperature at an arbitrary part (r, θ) can be measured in a non-contact manner. The heater power is adjusted to give a convex temperature distribution or a concave temperature distribution. The temperature ranges from 400 ° C to 750 ° C. When the absolute value of Δ = T (0) −T (R) is large in both the convex temperature distribution and the concave temperature distribution, slip occurs in the peripheral portion. When Δ is positive (convex), the thermal stress in the angular direction of the peripheral portion is tensile stress σθ> 0. When Δ is negative (concave), the thermal stress in the angular direction of the peripheral portion is a compressive stress. While the absolute value of Δ is small, slip does not occur, but when this becomes large, slip occurs in the peripheral part. The allowable range in which slip does not occur is narrower as the temperature is higher.
Yield thermal stress σθ as a function of temperature c (T), critical shear stress τ c (T), critical slip temperature difference Δ c Seeking. The outline will be described below.
In the experiment, it was found that the temperature distribution in the wafer surface can be approximated by a parabolic distribution in which the central part is hotter than the peripheral part. Therefore, assuming a parabolic temperature distribution, the thermal stress σθ in the angular direction around the wafer is a function of the temperature in the wafer surface.
[0019]
σθ (R) = αE (T (0) −T (R)) / 2 (1)
[0020]
Is given as follows. Where α is the coefficient of thermal expansion and E is the Young's modulus.
Since GaAs has anisotropy, slip occurs in the <110> / {111} sliding system (sliding in the <110> direction on the {111} plane). It is generally known that the relationship between the decomposition shear stress τ and σθ at this time is the relationship of τ = 0.493σθ, and using the equation (1),
[0021]
τ = 0.493 × αE (T (0) −T (R)) / 2 (2)
[0022]
It is indicated.
On the other hand, the critical shear stress τ at which slip is generated using the equation (2) from the experimental results of obtaining the slip generation conditions by changing T (0) and T (R). c Is
[0023]
τ c (T) = 2.3 × 10 -2 exp (0.38 eV / kT) MPa (3)
[0024]
I found out that Therefore, by calculating backward from the relationship of τ = 0.493 × σθ, the yield thermal stress when slip occurs (= σθ c )
[0025]
σθ c (T) = 4.6 × 10 -2 exp (0.38 eV / kT) MPa (4)
[0026]
It can be seen that The temperature difference Δ = T (0) −T (R) between the wafer central portion and the peripheral portion where slip occurs using the formula (1) again is the slip generation critical internal / external temperature difference Δ. c It is. From equations (1) and (4),
[0027]
Δ c (T) = 9.2 × 10 -2 exp (0.38eV / kT) / αE (5)
[0028]
Given in. Slip generation yield thermal stress (= σθ c ) Is about 20 MPa at 450 ° C., about 7 MPa at 600 ° C., and about 3 MPa at 800 ° C.
Here, it is meaningful that the yield thermal stress of slip generation is obtained from an experiment as a function of temperature, and further clarified how much temperature difference in the wafer surface causes slip. However, the object is non-doped GaAs.
[0029]
[Problems to be solved by the invention]
In semiconductor devices such as Si and GaAs, it is often necessary to form a thin and steep doping layer. In particular, in a GaAs MESFET or HEMT, formation of a shallow, high-concentration and steep active layer has become indispensable for improving device performance. In the case of FET, an n-channel is formed in SI-GaAs, a source electrode and a drain electrode are attached to both ends thereof, and a gate electrode is provided in the middle through an insulating film. The n channel is formed by ion implantation of n-type impurities through a mask. A depletion layer is generated in the channel by the voltage applied to the gate electrode, and the current is controlled by changing the thickness of the depletion layer according to the magnitude of the gate voltage. In order to change the depletion layer rapidly in response to a change in voltage applied to the gate electrode, it is preferable that the channel thickness is small. The current cannot be taken only by being thin. To increase the current, it is necessary to increase the carrier density. In other words, a FET operating at high speed requires a thin channel with a high carrier concentration. As speed increases, the demand for channel thinning becomes increasingly severe.
[0030]
The channel thickness increases as the ion implantation energy increases. The carrier density of the channel is proportional to the ion beam current. In order to form a thin channel, the ion implantation energy must be lowered. In the conventional examples described so far, Si is implanted into GaAs with energy exceeding 100 keV, such as 100 keV or 150 keV. Of course, the implantation depth is deep. For example, in the case of (4) above, 150 keV, 5 × 10 13 cm -2 When Si is implanted, the depth having the Si concentration peak is about 100 nm, and the Si-doped layer has a thickness of about 300 nm. 100 keV, 5 × 10 12 cm -2 When Si is implanted at a Si concentration of 10 16 cm -3 If the above portion is regarded as the thickness, the thickness is about 300 nm. Both are channels with a thickness of several hundred nm.
[0031]
It is no longer such a thick channel that the present invention is directed to. A thin channel of 100 nm or less such as 50 nm or 70 nm is strongly required. Then the injection energy must be reduced by an order of magnitude. For example, low energy ion implantation such as 10 keV or 15 keV is performed. When implantation is performed with such a small energy, Si does not enter deep inside and is localized near the surface of GaAs. A Si concentration profile having a very steep gradient in the depth direction is formed.
[0032]
In the case of a process including ion implantation, a heat treatment called activation annealing is performed after the implantation. Since Si disturbs the GaAs lattice by ion implantation, it has the purpose of restoring crystallinity and the purpose of putting Si into the Ga site. This is a heat treatment at a high temperature of 800 ° C. or higher. During such high-temperature and long-time heat treatment, atoms implanted into the substrate (here, Si) and atoms in the epilayer (Si) diffuse. Even an implanted layer formed to a sharply bent concentration profile will be deviated by atomic diffusion during annealing. Anyone in the profile will result in degraded device performance. In the case of an FET, the desired thin channel is not obtained. It will be thicker. When the channel is thick, the time that the fluctuation of the gate voltage causes increase / decrease in the depletion layer is delayed. The operation speed as an FET decreases. Inward diffusion of impurities during annealing has been a problem even with the conventional one, but it becomes a more serious problem because the channel depth is shallow.
[0033]
Conventionally, Si was implanted into GaAs with an acceleration energy of 100 keV to 200 keV to form a channel of about 200 nm to 300 nm. For example, even if the Si concentration profile is expanded by 30 nm due to diffusion during annealing, the channel width is only increased by 10%. However, the channels required by current GaAs-FETs and HEMTs are extremely thin, such as 20 nm to 50 nm. For example, if the Si distribution is expanded by 30 nm inward due to diffusion, the channel width is increased about twice. This is a serious problem. Since the injection layer is originally thin, the influence is different even with the same diffusion amount.
[0034]
That is not all. In addition to being thin, the n-channel of the GaAs-FET must contain high concentration carriers. The diffusion length at time τ is (Dτ) 1/2 Which does not include concentration. However, the speed of diffusion itself is proportional to the concentration. This is because the diffusion flow is j = −DδN / δz (N is the Si concentration, and z is the depth direction). Since a high concentration channel is formed, the amount of diffusion increases in proportion to the concentration N even if the diffusion coefficient D is the same. The effect of diffusion becomes more serious because it is a thin layer and has a high concentration. It is important to suppress diffusion during annealing.
[0035]
In order to maintain a steep concentration profile of implanted ions, atomic diffusion must be kept small during annealing. In order to suppress the atomic diffusion during the heat treatment, it is necessary to shorten the time during which the semiconductor wafer is exposed to a high temperature as much as possible. To that end, do not spend a long time for annealing. In that case, it is known that RTA, which is a short-time annealing capable of rapid temperature increase and decrease, is effective. It is heated by a lamp that emits infrared rays and has a small heat capacity, so it is suitable for rapid heating and rapid cooling. Therefore, RTA that can perform rapid temperature increase / decrease is often used for annealing Si-implanted GaAs.
[0036]
However, when the temperature is rapidly increased or decreased, a temperature difference is likely to occur between the central portion and the peripheral portion, particularly on a large-diameter substrate. Since heating and cooling are performed from the peripheral part, the temperature change in the central part tends to be delayed. That is, at the time of heating, the peripheral portion tends to be hotter than the central portion of the wafer. In the case of cooling, the central part tends to be hotter than the peripheral part of the wafer. As a result, a temperature difference occurs in the wafer surface. If the temperature difference within the wafer is excessive, wafer warpage or slip defects may occur.
[0037]
Due to warpage and slip, misalignment occurs during exposure. In particular, there has been a problem that the yield of device manufacturing is reduced in the peripheral area.
[0038]
In the case of increasing the temperature, there is a means for relaxing the temperature difference in the wafer. By optimizing the intensity distribution of the infrared lamp, the temperature difference between the center and the periphery of the wafer can be made more uniform. This is possible because of the positive heating.
[0039]
However, when the temperature is lowered, it is not allowed to be controlled by the lamp power because it is naturally cooled. Because of natural cooling, heat radiation from the wafer periphery is dominant. On the other hand, the loss due to heat conduction and radiation from the center cannot keep up. The greater the rate of temperature drop, the greater the temperature difference between the center and the periphery. It becomes difficult to make the temperature distribution uniform in the wafer plane. As a result, stress is generated in the wafer surface and the wafer is warped. In addition, slip transition occurs when stress exceeding the critical shear stress occurs. During exposure, a pattern shift occurs at the periphery of the substrate, and the yield of device manufacturing is reduced.
[0040]
Such a phenomenon appears particularly remarkably in GaAs. This is because the critical shear stress is smaller than that of Si and the thermal conductivity is low.
[0041]
Up to now, it has been explained that GaAs must be annealed after ion implantation in order to produce a GaAs FET by ion implantation of Si. It was stated that it is necessary to rapidly anneal so that Si does not diffuse during annealing. It was also explained that when a temperature change is applied rapidly, slip defects occur in the wafer and distortion occurs. Next, the results of actual investigation of residual strain and slip by RTA and electric furnace annealing of the Si-doped GaAs by the present inventor will be specifically described.
[0042]
[Si ion implantation into GaAs performed by the present inventors]
Si ions are applied to the entire surface of a 4-inch GaAs wafer at 10 keV, 1.5 × 10 13 cm -2 Ion implantation at a density of When manufacturing an FET, ions are selectively implanted only into the channel portion using a mask, but here the ion implantation is performed on the entire surface because the purpose is to investigate residual strain and slip defects on the entire surface of the wafer. 10 keV is energy of 1/10 or less of the acceleration energy (100 keV to 150 keV) described as the conventional example. The Si ion concentration distribution is as thin as 20 nm to 30 nm from the surface. This was annealed by two methods of RTA (870 ° C., 2 seconds) and electric furnace annealing (800 ° C., 20 minutes).
[0043]
[1. Annealing by RTA (lamp heating)]
This Si-implanted GaAs wafer was subjected to activation annealing under the condition that it was held at a maximum temperature of 870 ° C. for 2 seconds using an RTA apparatus. The temperature was raised at a constant rate. The temperature was lowered by turning off the lamp and letting it cool naturally.
Wafer in-plane distortion before and after (here, | S r -S t (Only | was shown) was measured by the photoelastic method. This is to measure strain optically by utilizing the fact that the strain and birefringence of the crystal are proportional. Strain is the elongation divided by the original length. Multiplying the strain by the elastic modulus (Young's modulus, etc.) gives the force per unit area. Since the wafer is thin and rotationally symmetric, the radial strain S r And tangential strain S t (Thickness direction need not be considered). In the photoelastic method, the absolute value of the difference between the two strains | S r -S t I only know.
[0044]
FIG. 1 shows a residual strain before RTA treatment (left), a residual strain after RTA treatment (center), and a slip pattern (right) observed with a microscope. Residual distortion was expressed by a tone that continuously changed from white to black. The white background has no distortion. The surplus is 2 × 10 -5 Indicates. Residual strain is a dimensionless number because it is the elongation divided by the original length. When this is multiplied by the elastic modulus, it becomes a unit of pressure (MPa), but it is stress and not strain. Sometimes strain is expressed by stress, but both should be distinguished.
[0045]
Before RTA (left in FIG. 1), the residual strain is small at the center and the periphery. Residual strain is high in the middle part. This is a (100) wafer, which has an orientation flat (OF) on the hand side of the figure, which is the (011) plane. A portion having a large residual strain is formed in the [0 ± 10] and [00 ± 1] directions of the intermediate portion. The average in-plane residual strain is 4.75 × 10 -6 It is. Since no slip occurs before the heat treatment, the slip pattern is not shown.
[0046]
The residual strain (intermediate in FIG. 1) after performing RTA at 870 ° C. for 2 seconds increases as a whole.
Naturally, the distortion increases because of the heat. The center is darker. That is, the residual strain increases at the center. A much more significant difference is the increase in residual strain at the periphery. The largest residual strain is in the middle part. Since the residual strain increases as a whole, the average residual strain value is 6.47 × 10. -6 Has increased. The right end of FIG. 1 shows the slip pattern seen with a microscope. Several slips occur around the periphery. In any case, the surface where slip occurs is the {111} surface. The slip direction is a <110> direction orthogonal to the slip surface. Residual strain is 6.47 × 10 -6 Therefore, slip occurs and distortion occurs.
[0047]
[2. Electric furnace annealing (FA)]
The same Si-implanted GaAs wafer was subjected to activation annealing in an electric furnace under the condition of holding at a maximum temperature of 800 ° C. for 20 minutes. The temperature is raised at a constant speed, and cooling is performed by natural cooling.
[0048]
FIG. 2 shows the residual strain before the electric furnace annealing (left), the residual strain after the electric furnace annealing (center), and the slip pattern (right) observed with a microscope. Similar to FIG. 1, the residual strain was expressed by a tone that continuously changed from white to black.
[0049]
Before annealing (left of FIG. 2), the same characteristics as those before RTA in FIG. 1 are obtained because the same ion implantation is performed. The residual strain is small at the center and the periphery. Residual strain is high in the [0 ± 10] and [00 ± 1] directions at the intermediate portion ◇. The average in-plane residual strain is 4.75 × 10 -6 It is. Since no slip occurs before heat treatment, no slip pattern is shown.
[0050]
The residual strain (middle of FIG. 2) after performing FA (electric furnace annealing) at 800 ° C. for 20 minutes greatly increases as a whole. Naturally, distortion increases due to the application of heat, but the distribution is different from that before treatment. The center is whiter. That is, the residual strain is reduced at the center. The residual strain at the middle ◇ portion where the residual strain was large before annealing decreased. Near the center, there is a new portion where the residual strain is remarkably concentrated. Residual strain is greatly increased at the periphery. There is a feeling that the residual strain distribution is inverted before and after annealing. The average residual strain after annealing is 1.03 × 10 -5 It is. By annealing, it is increased more than twice. Even compared with the residual strain after RTA, it becomes 1.6 times. is increasing. A much more significant difference is the increase in residual strain at the periphery. The right end of FIG. 2 shows the slip pattern seen with a microscope. Despite the large residual strain at the periphery, no slip occurred. In the case of RTA, many slips are generated, but in the case of FA, there is almost no slip.
[0051]
In the case of electric furnace annealing, it is an advantage that slip does not occur despite prolonged heating. However, electric furnace annealing has other disadvantages. Since it heats for a long time, it means that Si ions diffuse and penetrate deep inside. When Si penetrates into the inside due to diffusion, a channel thicker than the designed value is formed. If the channel is thick, leakage current may occur. Moreover, the response speed as FET becomes low. That is, slip and distortion are not the only problems.
[0052]
[Distribution of Si atoms in the depth direction]
Therefore, the Si ion distribution profile in the depth direction of the wafer was examined by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrography). This measures the amount of secondary ions that are ejected by implanting argon ions or the like onto the sample surface. When the amount of Si ions popping out as secondary ions is measured while etching the wafer surface, the Si concentration in the depth direction is obtained.
[0053]
FIG. 3 shows the profile in the depth direction of implanted Si ions obtained by SIMS for the wafer after RTA and the GaAs wafer after FA. The horizontal axis is depth (nm), and the vertical axis is Si ion concentration (cm -3 ).
Si concentration after RTA is 1.5 × 10 at the surface 18 cm -3 It is. 5x10 peak at 5nm depth 18 cm -3 To reach. Thereafter, the concentration decreases with depth. 1 × 10 at about 30 nm 18 cm -3 2 × 10 at 50 nm depth 17 cm -3 become. 1 × 10 at 61nm depth 17 cm -3 It becomes.
[0054]
Si concentration after electric furnace annealing (FA) is 1.5 × 10 at the surface 18 cm -3 It is. It becomes a peak at a depth of 4 nm, 3 × 10 18 cm -3 To reach. Thereafter, the concentration decreases with depth. 1 × 10 at about 45 nm 18 cm -3 8 × 10 at 50 nm depth 17 cm -3 become. 1 × 10 at 70 nm 17 cm -3 It becomes.
[0055]
Comparing the two Si concentration distributions, it can be seen that Si atoms are diffused inward by electric furnace annealing. The definition of the channel width varies slightly depending on the carrier concentration of the non-doped GaAs substrate. Unlike Si-FETs, pn junctions are not possible, but the channel has a much higher carrier concentration than the substrate GaAs.
[0056]
For example, n ≧ 5 × 10 17 cm -3 If n channel is defined, the RTA is about 40 nm, which is almost the same as the width in ion implantation. The result of FA is about 57 nm, which is 1.4 times larger than the distribution by ion implantation.
[0057]
Or, for example, n ≧ 2 × 10 17 cm -3 If n channel is defined, the thickness by RTA is about 50 nm, which is almost the same as the width in ion implantation. The result of FA is about 63 nm, which is 1.3 times wider than the distribution by ion implantation. In other words, in this range, Si diffused 13 to 17 nm inward by electric furnace annealing (800 ° C., 20 minutes).
[0058]
If the ion implantation energy is as large as 150 keV and the Si concentration distribution is spread to about 300 nm, the channel width increase is only about 1.05 times even if it is diffused by about 15 nm. However, according to the present invention, Si is implanted at an extremely low energy to make an extremely thin channel, so even if the width is increased by slight thermal diffusion, the ratio increases.
[0059]
From these results, it can be seen that activation annealing by RTA can suppress the diffusion of implanted Si ions to a smaller extent than electric furnace annealing. This is because the annealing time is short. RTA is suitable for suppressing the Si diffusion and creating a shallow channel as designed. That is true, but as mentioned above, RTA also has drawbacks. The drawback can be seen by comparing the rightmost diagram in FIG. 1 (RTA) with the rightmost diagram in FIG. 2 (FA). RTA is more susceptible to distortion in the wafer surface during annealing than in electric furnace annealing. Therefore, RTA is more prone to slip and distortion than electric furnace annealing. RTA is suitable for preventing shallow Si diffusion, but electric furnace annealing is preferable for preventing slip and distortion.
[0060]
It is an object of the present invention to provide an improved annealing method that does not cause slip or distortion even by rapid annealing by RTA.
[0061]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is characterized in that in the heat treatment including RTA in the semiconductor device manufacturing process, a standby step for temporarily stopping or decelerating the temperature change at the time of temperature decrease or temperature increase is provided. A standby step is provided when the temperature is lowered or raised, and the temperatures of the peripheral part and the central part are brought close to each other. The step may be inserted only once, but may be inserted twice or three times. In particular, it is effective to provide a standby step when the temperature falls. This is because the temperature difference between the inside and outside is more apparent when the temperature falls. Of course, a standby step may be provided even when the temperature rises.
[0062]
Here, the standby step is to temporarily stop or decelerate the temperature change of the wafer. Although it is possible to distinguish what completely stops the temperature change as a standby step and what decelerates it as a deceleration step, in the present invention, both are referred to as a standby step. This is because it is difficult to distinguish between the two. Since the lamp and heater power can be adjusted, they can be fixed at a fixed value. Such a case is called a standby step, and what reduces the power change can be called a deceleration step. However, it differs only in the mode of control variable change. The temperature change of the wafer cannot be fixed at a constant value. The stand-by step and the decelerating step do not change much in that the temperature change becomes slow. So there is no benefit in distinguishing both from the results. In the following, the standby step and the deceleration step may be distinguished, but there are places where both are referred to as the standby step.
[0063]
The wafer temperature is determined after the fact and cannot be directly controlled. The lamp output W is a variable that can be determined directly. The change in the wafer temperature is stopped by changing the lamp output, but it is necessary to determine the relationship. Therefore, it is necessary to determine the lamp output for giving the standby step by calculation or experiment in advance. The standby step during the temperature drop and the temperature rise correspond to a temperature sequence that is opposite to each other.
[0064]
It will be easier to understand when the temperature drops. Providing a standby step when the lamp is turned off and allowed to cool naturally (δT / δt <0) means that the lamp is temporarily turned on to heat the wafer. The temperature fluctuation is temporarily stopped (δT / δt = 0) or temporarily decreased (δT / δt ≧ 0) due to the balance between the heat supply from the lamp to the wafer and the heat radiation from the wafer to the surroundings. The lamp lighting time is t n And turn off time t f And Suppose this is repeated several times. Lighting time t n ~ T f Is equal to the length of the waiting step. This is simple, but how much lamp output will you make? This must be determined by experiment or calculation.
[0065]
When a standby step is inserted when the temperature rises, the lamp output is set such that the temperature rise is temporarily stopped or decelerated. Turn off the lamp or weaken the lamp output. The lamp cannot be weaker than turning it off. Therefore, depending on the temperature, it may be impossible to provide a standby step when the temperature is raised. Even in this case, it is possible to insert a deceleration step.
[0066]
The temperature difference in the substrate surface during RTA varies depending on the RTA furnace used and heat treatment conditions. It is necessary to design the conditions of the standby step at the time of raising and lowering the temperature according to the furnace and RTA conditions. Even if it is not a complete standby step in which δT / δt = 0 completely, a similar effect can be expected even in a temperature sequence (deceleration step) in which the temperature increase / decrease rate is temporarily reduced. The deceleration step must also be designed according to the furnace and RTA conditions.
[0067]
By applying the temperature sequence of the present invention including the standby step and the deceleration step, it is possible to suppress the occurrence of substrate distortion and slip even in heat treatment involving rapid temperature decrease and temperature increase. The rapid thermal treatment such as RTA can suppress the diffusion of various atoms forming the injection layer and the epi layer. Since the present invention provides a rapid heat treatment method free from slip and distortion, it can be expected to improve device manufacturing characteristics and yield.
[0068]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Why do many slip defects occur in the periphery of the GaAs wafer after RTA (right column in FIG. 1)? This is a problem. In order to clarify the cause, thermocouples were embedded in the center and periphery of a 4-inch Si wafer. Center temperature T 1 And ambient temperature T 2 To know. This Si wafer is neither GaAs nor Si implanted. It is just a Si wafer. It is not the wafer itself in question. However, this is also useful for knowing the fluctuation of the temperature distribution in the wafer in RTA. Since Si has higher thermal conductivity than GaAs, GaAs should have a larger temperature difference than this result.
[0069]
This Si wafer was heat-treated by RTA. Lamp output W and wafer center temperature T 1 And ambient temperature T 2 FIG. 4 shows the result of measuring the change in time (t). The horizontal axis represents annealing time (seconds), and the vertical axis represents power and temperature. The alternate long and short dash line is the lamp power W, and the solid line is the center temperature T 1 The broken line shows the ambient temperature T 2 It is.
[0070]
The lamp output is a constant output in Iro and the wafer is heated to about 520 ° C. The temperature rise starts from about 520 ° C. (A). This is the temperature at which no diffusion occurs. When t = 5.7 seconds, the lamp power W is increased instantaneously as loha. The lamp power is increased at a constant rate from c to d (t = 21.4 seconds). Here, the lamp power is kept at a constant maximum value Niho for 2 seconds. Up to the point E (t = 23.4 seconds). The power is instantaneously dropped at the point of the ho. The same power is maintained from the point (t = 23.4 seconds) to the point (t = 26.8 seconds) for about 3 seconds. The power is reduced to the minimum value at the point. The same minimum power from the H point (t = 26.8 seconds) to the W point. The maximum power niho and the minimum power wrinkle are the maximum and minimum in this temperature sequence, not the maximum and minimum of the device performance.
Since it is a lamp output, it is easy to realize a rapid increase and decrease in power. Further, since the lamp is heated, the heat capacity is small, and the lamp power fluctuation is reflected in the wafer temperature change in a short time.
[0071]
From 520 ° C., A, B, and C, the wafer temperature rises rapidly and continuously. The maximum rate of temperature increase is + 21 ° C./second. The maximum temperature reaches 870 ° C. at point C (t = 25 seconds). This is the annealing temperature. The delay from the midpoint of the Niho point (t = 22.4 seconds) is only 2.5 seconds. The advantage of RTA is that the power fluctuation immediately leads to the wafer temperature fluctuation. Thereafter, the temperature decreases like CHJ. The average cooling rate is −6 ° C./second. There is a difference in speed between heating and cooling. Since the temperature is forcibly heated by a lamp, the temperature can rise rapidly. The temperature drop takes time because it is naturally allowed to cool and cannot forcibly remove the heat. The reason for slowing down the temperature is that it takes time to cool down.
[0072]
During temperature increase (ABC), the center temperature T 1 And the ambient temperature T 2 There is not much difference. The maximum temperature reaches 870 ° C. in about 25 seconds from the start. Thereafter (CHJ) the temperature decreases. When the temperature falls, a difference in temperature between the central part and the peripheral part appears. Since cooling is mainly performed by radiation from the periphery of the wafer or heat conduction, the temperature of the peripheral portion (shown by a broken line) first falls. A temperature difference clearly appears after 5 seconds from the start of temperature drop. There is an internal / external temperature difference of 17 ° C. at t = 45 seconds 20 seconds after the temperature starts to drop. In 60 seconds, there is a temperature difference of 23 ° C. At 75 seconds, there is still a temperature difference between 23 ° C and 23 ° C. Since it is naturally cooled, heat is released by radiation from the surroundings. Therefore, the temperature drop at the center tends to be delayed from the surroundings.
[0073]
When the temperature is raised, the peripheral portion of the wafer is heated before the central portion, but the temperature difference is small. However, there can be a difference in temperature between the inside and outside even when the temperature rises. In order to prevent this, the lamp is optimized, and a standby step (Iro) is provided in which the temperature rise is stopped at around 500 ° C. for 5.7 seconds. As a result, the temperature difference between the inside and outside at the time of temperature rise is kept small.
[0074]
However, when the temperature is lowered, the heat naturally escapes from the peripheral part because it is naturally cooled, and the peripheral temperature is lower (T 1 > T 2 ). When the temperature falls suddenly as in this case, the center T 1 And peripheral part T 2 The temperature difference increases. When the temperature is suddenly lowered, the temperature difference between the center and the periphery of the wafer is large, causing the wafer to warp or slip. Slip occurs when the decomposition shear stress at the sliding surface of the crystal caused by thermal stress exceeds the critical shear stress. Critical shear stress τ c Is a function of temperature. The greater the temperature difference between the wafer center and the periphery, the greater the decomposition shear stress and the more likely slip occurs.
[0075]
In FIG. 4, it can be seen that there is a temperature difference between the central part and the peripheral part, but the temperature difference itself is difficult to understand. Therefore, the annealing time t and the internal / external temperature difference (Δ = T 1 -T 2 ) Is shown in FIG. 5 by a solid line.
[0076]
FIG. 5 shows a slip generation critical temperature difference Δ expected by a broken line. c Is written as a function of t. It must be noted that it is a special expression. Since it is difficult to understand, I will describe it in detail. Original slip critical temperature difference Δ c Is the wafer ambient temperature T 2 Function Δ c (T 2 ) But here a function Δ of time t c It is drawn as (t). Time t and wafer ambient temperature T 2 Relationship T 2 Since (t) is known in advance and has a relationship as shown in FIG. c The function of time Δ c (T 2 (T)) can be written. It is a temperature profile T 2 This is possible because (t) is determined, and the temperature profile T 2 When (t) is different, the function is no longer as shown in FIG.
[0077]
Time t-slip generation temperature difference Δ as shown in FIG. c To give this relationship: Time t and temperature T 1 , T 2 Is given by FIG. That is, T 1 (T), T 2 (T) is given. This is a different relationship depending on the temperature rise / fall profile. Temperature T 1 And T 2 By the critical shear stress τ c Is decided. This is also described in the conventional examples (5) and (6). Equation (3) described in (6) is the critical shear stress τ c It is itself. However, the value cannot be used in the present invention. Critical shear stress τ c Depends on the crystal. There is a possibility that it may vary depending on the dopant and dose. (6) is specific to non-doped GaAs. c Is given. Since the present invention targets Si-implanted GaAs, τ c Is different. Τ as a function of temperature for the target Si-GaAs c Must be obtained in advance.
[0078]
The values of the decomposition shear stress τ and the thermal stress σ are determined only after the surface on which the stress acts is determined. The thermal stress σ in any orientation is proportional to the decomposition shear stress τ in any orientation. The proportionality constant is only an angle, and the decomposition shear stress τ can be calculated from the thermal stress σ. The slip occurs on the {111} plane, and the direction of deviation is <011>. The resolving shear stress in that direction through the surface is important. Here, it will be discussed in terms of decomposition shear stress τ. Here, the decomposition shear stress is a force in the <110> direction acting on both sides of the {111} plane. Only the shear stresses in the other directions of the other surfaces are not important, so only this is considered. Since the plane and orientation are known, the tensor symbol to be attached to τ is omitted here.
[0079]
When the wafer is cylindrically symmetric and there is no internal strain, the decomposition shear stress τ is generally a function of only the internal and external temperature difference Δ. So τ (T 1 -T 2 ).
The decomposition shear stress will increase as the internal / external temperature difference Δ increases. On the other hand, critical shear stress τ c Is larger as the temperature T is lower and smaller as the temperature is higher. Decomposition shear stress τ is critical shear stress τ c Is equal to τ c (T) = τ (T 1 -T 2 ), Critical shear stress τ c Critical temperature difference Δ c = (T 1 -T 2 ) c Is a function of temperature T (T 1 -T 2 ) c Obtained as (T). τ increases as Δ increases, and τ c Decreases at higher temperatures, so τ = τ c As shown in FIG. c Should decrease with increasing temperature T. That's a little confusing, but that's it. This is the conventional example (5). (5) is the critical temperature difference Δ c The temperature function Δ c (T). The present invention also takes such a concept, but since the object is different, the function (5) cannot be adopted as it is. Since the present invention is a Si ion-implanted GaAs substrate, the temperature dependence Δ of the critical temperature difference is experimentally determined. c (T) is obtained. With this alone, it is not possible to draw a graph as shown in FIG. This is because it is necessary to pull back to the time axis.
[0080]
When the annealing mode is determined (as shown in FIG. 4), the time t and the temperature T 1 , T 2 Relationship T 1 (T), T 2 (T) is determined. So critical temperature difference Δ that gives critical shear stress c = (T 1 -T 2 ) c Is obtained as a function of time t. Critical temperature difference Δ c Is the temperature T 2 Is low and the temperature T 2 Is high and small. If you pull back to the time axis, the temperature will rise until t is 25 seconds. c | Decreases. Since the temperature drops after 25 seconds, | Δ c | Increases. This is the upper and lower critical temperature difference curve Δ shown by the broken line in FIG. c ±. The upper and lower halves exist because Δ is positive (T 1 > T 2 ) Is also negative (T 1 <T 2 This is because a slip can occur in the same manner. Upper limb is Δ c +, Lower leg is Δ c -.
[0081]
Upper limb Δ of the critical temperature difference curve c + Is high at the beginning (f) of annealing, decreases, and becomes the lowest at the highest temperature (T = 870 ° C., t = 25 seconds) (Y point). When the temperature falls thereafter (Yotareso), the temperature decreases and the critical temperature difference increases. Since the critical shear stress largely depends on the absolute value of the temperature difference between inside and outside, the upper limb Δ c +, Baseline T 1 -T 2 = Lower limbs Δ folded back with respect to 0 c -(Tsunenara) exists. The lower limb is initially a negative number with a large absolute value, but becomes a negative number (ne) with a small absolute value at the maximum temperature (T = 870 ° C., t = 25 seconds). When the temperature falls (Nenara), it becomes a negative number with a larger absolute value. Upper limb Δ c + And lower limb Δ c -The region between-is the thermal shear stress τ is the critical shear stress τ c Is a smaller range. When the temperature at the time of temperature rise is low (T 1 -T 2 ) c The distance between the upper and lower limbs is wide. When the temperature rises, the interval between the upper and lower limbs becomes narrower. It becomes the narrowest (between Yone) at the maximum temperature (T = 870 ° C., t = 25 seconds). After this, the critical temperature difference (T 1 -T 2 ) c Will open.
[0082]
What has been described above is the critical temperature difference Δ c Is a time change. Black dots and solid lines indicate temperature difference between inside and outside Δ = T 1 -T 2 The time change of is shown. At the beginning of heating (K; t = 0), the temperature at the periphery is high and the center is low, so Δ = T 1 -T 2 Is negative. The difference is about Δ = −4.2 ° C. until 13 seconds. As the temperature rises, the temperature difference between the inside and outside rises and falls below 0 at the point L (t = 21 seconds). The temperature difference becomes positive. When the maximum temperature of 870 ° C. is reached (M point; t = 25 seconds), the temperature difference at that time is as small as 2 ° C. Since natural cooling is started from now on, the temperature difference of the peripheral part opens and the temperature difference opens. It becomes 6 degreeC in t = 30 second.
[0083]
What is important is that the temperature difference Δ at the N point (t = 32 seconds) becomes the critical temperature difference Δ. c It means crossing +. Δ = Δ at point N c + = 7 ° C. Temperature T = 825 ° C. The internal / external temperature difference is 7 ° C., and the critical internal / external temperature difference is 7 ° C. at this temperature. Here, slip generation is allowed. After that, Δ is Δ c Since it becomes larger, slip defects grow until thermal stress is relieved by the occurrence of slip. Δ = 17 ° C. in 45 seconds, Δ = 23 ° C. in 60 seconds (P point), and does not change much until the final point Q (t = 78 seconds, T = 570 ° C.). A state in which a slip can occur from point N (32 seconds) to point Q (78 seconds) continues for a long time. From these considerations, it is presumed that slip defects started to occur in the vicinity of 850 ° C. to 750 ° C. at the time of temperature drop.
[0084]
How can I suppress the occurrence of slips? Wafer center temperature T 1 And ambient temperature T 2 The difference between the two should not be too large. Especially when the temperature is high, the temperature difference (T 1 -T 2 ) Must not be large. In particular, it is sufficient if the temperature difference between the inside and outside can be reduced when the temperature falls. This is the presentation of the problem to be solved by the present invention. It has been quantitatively understood that the temperature difference between the inside and outside should be reduced and how much it should be reduced. Here is a break. Although (5) and (6) described as conventional examples are both in the hands of the applicant, a truly direct method is adopted in order to reduce the temperature difference between the inside and outside of the wafer. (5) and (6) are a radiation thermometer that two-dimensionally measures the temperature distribution in the plane of the wafer, and a heater H that has a triple concentric circle inside and outside. 1 , H 2 , H 3 Is provided. The temperature T (x, y) throughout the wafer is repeatedly obtained with a radiation thermometer, and when a temperature difference between the inside and outside of the wafer occurs, the heater power close to the low temperature region is increased, and the heat at the higher temperature portion is increased. Lower the power. A combination of temperature measurement and heater power adjustment is intended to strictly control the temperature change. However, to do so, it is necessary to provide three types of heaters concentrically. In addition, the temperature must always be measured from above with a radiation thermometer. Providing heaters in the inner and outer triples is not applicable to lamp heating. Above all, the structure becomes too complicated. You can't measure with just one thermocouple.
[0085]
[Control method of the present invention]
Simpler equipment and simpler control are desirable. The present inventor has come up with the idea that the temperature decrease is temporarily stopped (standby step) or the temperature decrease rate is decreased when the temperature is decreased (or when the temperature is increased).
(A) At the time of temperature rise; Temporarily stop the temperature rise at the time of the temperature rise or decrease the temperature rise rate. Center temperature T 1 Is the ambient temperature T 2 It will be averaged from catching up to. The temperature rise can be stopped and the temperature rise can be reduced by reducing the lamp power. It may be effective to turn off the lamp. In the standby step at the time of temperature increase, how many times (T s ? ) Is one of the problems. Length of time to stop temperature rise (t s ? ) Is another problem.
(B) When the temperature is lowered; Temporarily stop the temperature drop or lower the temperature drop rate when the temperature is lowered. Center temperature T 1 Is the ambient temperature T 2 It will be averaged from catching up to. When it is allowed to cool naturally, the lamps and heaters are temporarily turned on and heated. As the heating and cooling are balanced, the snow can pause the temperature drop (standby step). Even if heating is not exactly balanced, the temperature lowering rate can be temporarily reduced (deceleration step). The standby step and the deceleration step can be provided not only in the case of natural cooling but also in the case of cooling while heating the lamp. Also in the case of temperature drop (T s ) Do you stop cooling? How many seconds to stop (t s ) Problem.
[0086]
Slip generation can be prevented by inserting a standby step and a deceleration step into the temperature sequence regardless of whether the temperature is lowered or raised. The following two points are noted in the design of the temperature sequence of the present invention.
(1) A standby step is provided in the vicinity of a temperature range where slip occurs.
(2) The waiting step time is made as short as possible.
[0087]
In order to suppress the diffusion of the implanted Si ions, it is necessary to shorten the time during which the wafer is exposed to a high temperature as much as possible. When Si diffuses, the channel width increases and a leakage current of the FET is generated. If a waiting step is provided, the diffusion time increases accordingly, and diffusion increases. Therefore, it is better that the waiting step is short. This is where condition (2) requires. It's not just a short one. There is no point in providing a standby step at a temperature at which slip occurs. This is what Condition (1) says. The temperature at which slip occurs is τ c It is a temperature at which (T) is particularly lowered. The temperature range where slip is likely to occur is simply τ c This is a time when not only (T) but also the temperature difference between the inside and outside is accumulated and increased when the temperature is lowered and when the temperature is raised. The problem (2) will be further described. The diffusion distance of Si ions in GaAs is given by the following equation.
[0088]
Δd = (Dτ) 1/2 (6)
[0089]
Here, D is a diffusion coefficient and is a function of temperature. The higher the temperature, the greater D. τ is the time exposed to the temperature. The diffusion coefficient has the following form.
[0090]
D = D 0 exp (-E / kT) (7)
[0091]
For diffusion of Si in GaAs, D 0 = 0.7cm 2 / S, E = 3.2 eV. this is
[0092]
▲ 7 ▼ Ddandandandy, Satoshi Matsumoto “Effect of melt stoichiometry on Si diffusion in LEC semi-insulating GaAs” (1988, Spring Society of Applied Physics, 28p-ZE-10, p943)
It is the value published in. In other words, the diffusion coefficient of Si in GaAs is
[0093]
D = 0.7exp (−3.2 / kT) (8)
[0094]
That's what it means. k is the Boltzmann constant and T is the absolute temperature. The annealing that is now a problem is a heat treatment that is held at 870 ° C. for 2 seconds. Ion travel distance Δd occurring at maximum temperature 0 Can be obtained from (6) and (8). This is Δd 0 = 1 nm. The size of the standby step that is given when the temperature is lowered is the diffusion length Δd of Si ions that occur in the meantime. s Can be evaluated by. It is better not to spread as much as possible in the waiting step. Diffusion length Δd at standby step s Is the diffusion length Δd at the maximum temperature 0 About 20% or less (Δd s ≦ 0.2Δd 0 ).
[0095]
For example, assume that a standby step is provided at 750 ° C. That time t s Is the diffusion length Δd in equation (6) s = 0.2Δd 1 Can be calculated as τ such that = 0.2 nm. Then the waiting step time is t s = 4 seconds or less.
[0096]
【Example】
Same conditions (10 keV, 1.5 × 10 2 for 2 GaAs 4 inch wafers) 13 cm -2 ) Was implanted with Si ions. One was annealed with normal RTA, and the other was RTA annealed with a standby step, and an experiment was conducted to compare the two.
[0097]
[RTA] RTA annealing is performed at 870 ° C. for 2 seconds.
[0098]
[Standby Step] The standby step is to hold at 750 ° C. for 4 seconds.
[0099]
A. For samples that do not perform a waiting step
The strain before RTA, the strain after RTA, and the slip pattern were as shown in FIG. The residual strain before RTA is small at the center and the periphery and large at the middle ◇. The average residual strain is 4.75 × 10 -6 It is. Residual strain after RTA increases at the periphery, and the average is 6.47 × 10 -6 Met. There are many slips around the periphery.
[0100]
B. Samples with a waiting step
Wafer center temperature T when RTA including standby step is performed 1 , Peripheral temperature T 2 FIG. 8 shows the time change of the lamp power W. Start at around 520 ° C. The lamp output is constant and constant. At t = 5.7 seconds, the power is instantaneously increased to a high level. The power is increased uniformly from 2 to 21.4 seconds. Keep the same power up to the point of 23.4 seconds. Reduce the lamp power to point F (26.8 seconds) at point E. A constant power is used between the guts. At the point (26.8 seconds), the power is further reduced to a constant value (Tochi). The power is constant from the point H to the point (41.4 seconds). At the point, the power suddenly increases like Rinu. This is maintained for 3 seconds until the point (44.5 seconds). The power is instantly reduced from the point to the point. After that, keep the minimum power until wow. Rinulwo is the waiting step. The lowest power can be completely extinguished. The waiting step includes Iro and Heto, but what is newly added here is the portion of Rinulwo. Here, the lamp power temporarily increases. This reduces the temperature difference between the inside and outside of the wafer. No slip occurs because the temperature difference decreases. The decrease in temperature difference is the center temperature T 1 , Ambient temperature T in broken line 2 You can see by looking at It can be seen from the temperature variation between the EFs that there is no benefit in distinguishing between the standby step and the deceleration step. Since the power is constant between nulls, it will be called a standby step. However, the wafer temperature is not constant at EF. In other words, this is a deceleration step. It does not matter whether the power is a step (δW / δt = 0) in terms of influence on the wafer.
[0101]
From 520 ° C., A, B, and C, the wafer temperature rises rapidly and continuously. The maximum rate of temperature increase is + 21 ° C./second. The maximum temperature reaches 870 ° C. at point C (t = 25 seconds). This is the annealing temperature. The delay from the midpoint of the Niho point (t = 22.4 seconds) is 2.6 seconds. Since the lamp power is kept constant for 2 seconds when the wafer reaches 870 ° C., annealing at 870 ° C. for 2 seconds is called. Thereafter, the CD and wafer temperatures decrease. The descending speed is faster in the peripheral part (broken line) than in the central part (solid line).
[0102]
The effect of increasing the lamp power such as “Rinulwo” appears immediately in the portion of the wafer temperature curve EF. The rate of wafer cooling is decreasing. It can be seen that the temperature decreasing rate is not 0 but is decreasing. The important thing is that in the EF part, the temperature drop in the central part has come closer to the temperature drop in the peripheral part. Temperature difference Δ at E E Temperature difference at F F Is small (Δ E > Δ F ). At point F, the temperature starts decreasing from the reduced temperature difference. This is equivalent to reducing Δ like OR at point O of the Δ curve in FIG. Δ is the critical temperature difference Δ c Pulled downward (point R). Thereafter, the temperature difference Δ increases, but Δ c The final point S is reached without exceeding. That is, Δ (RS) <Δ c Can be maintained. There is a slight risk of slippage from the maximum temperature N to O. However, slip does not always occur during that time. Rather, there is a high probability that slip will occur between the subsequent OQs. The possibility of slippage between OQs can be eliminated by the waiting step. Therefore, almost no slip occurs on the wafer after the RTA process. This is the effect of the waiting step.
[0103]
Of course there are disadvantages. Since the standby step is provided, it takes extra time to cool down. The average cooling rate at DEFG is −4.7 ° C./second. The time for the temperature to drop from 870 ° C. to 600 ° C. is 6 seconds longer. The increase in the temperature lowering time is not the same as the waiting step time (here, 4 seconds).
[0104]
FIG. 6 shows a strain before RTA and a strain slip pattern after RTA for the same sample subjected to RTA in a temperature sequence including a standby step. Before RTA, the residual strain is small at the center and the periphery and large at the middle ◇. The average residual strain is 4.69 × 10 -6 Met. The residual strain distribution after RTA is similar to that before RTA. Distribution that there is little residual strain is maintained in the central part and the peripheral part. The average residual strain is 4.53 × 10 -6 It is. The residual strain did not increase due to the waiting step. The effect is even more pronounced if you look at the slip pattern. No slip defects have occurred at the periphery of the wafer. There was no wafer warp.
[0105]
If the diffusion progresses by the waiting step, the effect is reduced. Therefore, the Si concentrations of Sample A (without standby step) and Sample B (with standby step) after RTA were measured by SIMS. FIG. 7 shows the result. The sample B with the waiting step seems to be slightly shifted to the right in the distribution, but it is not so, and since the total amount of Si is large, the distribution is in the upward direction as a whole. Therefore, it can be seen that the diffusion of Si into the back by the standby step is slight.
[0106]
C. When there is a faster standby step
Since the sample of B starts the standby step from 41 seconds, there is a possibility that slip occurs between NO in FIG. 5 a little later. In FIG. 5, Δ is Δ c Is t = 32 seconds, so if a standby step is provided between 870 ° C. and 2 seconds hold t = 26 seconds and 32 seconds, Δ <Δ c It can be. For example, a shorter standby step may be provided in 29 seconds to 32 seconds (850 ° C. to 830 ° C.). Then, as shown in FIG. 9, always Δ <Δ c You can do that. In FIG. 9, 30 to 45 seconds, Δ is Δ c It is approaching, but this is not exceeded. In this case, the possibility of occurrence of slip becomes zero. Naturally, the residual strain is also reduced and the wafer is not warped.
[0107]
【The invention's effect】
The present invention provides a standby step for temporarily stopping or decelerating the temperature change in the heat treatment including rapid temperature rise / fall of the semiconductor. Ambient temperature T 2 And center temperature T 1 , The thermal stress inside the wafer is reduced. Therefore, the wafer is not warped and the occurrence of slip is reduced. The yield at the time of device manufacture can be raised.
The device performance can still be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows 1.5 × 10 at 10 keV on a 4 inch (100) GaAs wafer. 13 cm -2 FIG. 6 is a diagram of residual strain in a wafer immediately after implantation of Si ions, a distribution diagram of residual strain after RTA at 870 ° C. for 2 seconds, and a diagram of a slip pattern in the wafer surface. Residual strain is 0 for white, 2 × 10 -5 Is represented in black. Slip occurs on the {111} plane at the periphery of the wafer and slides in the <110> direction.
FIG. 2 shows 1.5 × 10 at 10 keV on a 4 inch (100) GaAs wafer. 13 cm -2 FIG. 5 is a diagram of residual strain in a wafer surface immediately after implantation of Si ions, a distribution diagram of residual strain after annealing at 800 ° C. for 20 minutes, and a slip pattern in the wafer surface. Residual strain is 0 for white and 2 × 10 -5 Is represented in black. Slip occurs on the {111} plane at the periphery of the wafer and slides in the <110> direction.
FIG. 3 shows 1.5 × 10 at 10 keV on a 4-inch GaAs wafer. 13 cm -2 FIG. 7 is a measurement diagram of Si atom concentration distribution in the depth direction for a wafer subjected to RTA at 870 ° C. for 2 seconds and a wafer subjected to electric furnace annealing at 800 ° C. for 20 minutes after implantation of Si ions. The horizontal axis is the depth from the surface (nm), and the vertical axis is the Si atom concentration (cm -3 ).
FIG. 4 shows 1.5 × 10 at 10 keV on a 4-inch GaAs wafer. 13 cm -2 After implantation of Si ions, the temperature T at the wafer center when RTA is performed at 870 ° C. for 2 seconds. 1 (Solid line) and surrounding temperature T 2 The graph which shows the time change of (dashed line). The horizontal axis represents annealing time (seconds), and the vertical axis represents temperature (° C.).
FIG. 5 shows 1.5 × 10 at 10 keV on a 4-inch GaAs wafer. 13 cm -2 After implantation of Si ions, the wafer center temperature T when RTA is performed at 870 ° C. for 2 seconds. 1 And ambient temperature T 2 Difference (T 1 -T 2 ) Over time and slip critical temperature difference (T 1 -T 2 ) c The graph which shows the time change of. The horizontal axis represents the annealing time (seconds), and the vertical axis represents the temperature difference (° C.).
FIG. 6 shows 1.5 × 10 at 10 keV on a 4-inch GaAs wafer. 13 cm -2 Of residual strain immediately after implantation of Si ions, distribution diagram of residual strain of wafer when RTA is performed at 870 ° C. for 2 seconds and a waiting step of 4 seconds is provided at 750 ° C., and in-plane slip Pattern illustration. Residual strain is 0 for white, 2 × 10 -5 Is represented in black.
FIG. 7 shows 1.5 × 10 at 10 keV on a 4-inch GaAs wafer. 13 cm -2 After the implantation of Si ions, a wafer subjected to RTA at 870 ° C. for 2 seconds (no standby step) and a wafer provided with a standby step of 4 seconds at 750 ° C. in the post-cooling process at 870 ° C. for 2 seconds FIG. 6 is a measurement diagram of Si atom concentration distribution in the depth direction. The horizontal axis is the depth from the surface (nm), and the vertical axis is the Si atom concentration (cm -3 ).
FIG. 8 shows 1.5 × 10 at 10 keV on a 4-inch GaAs wafer. 13 cm -2 After the Si ions are implanted, RTA is performed at 870 ° C. for 2 seconds, and the temperature T at the wafer center when a waiting step of 4 seconds is provided at 750 ° C. during the temperature lowering process is performed. 1 (Solid line) and surrounding temperature T 2 The graph which shows the time change of (dashed line). The horizontal axis represents annealing time (seconds), and the vertical axis represents temperature (° C.).
FIG. 9 shows 1.5 × 10 at 10 keV on a 4-inch GaAs wafer. 13 cm -2 After the Si ions are implanted, RTA is performed at 870 ° C. for 2 seconds, and the wafer center temperature T when a standby step of about 2 seconds is provided between 850 ° C. and 830 ° C. during temperature reduction 1 And ambient temperature T 2 Difference (T 1 -T 2 ) Over time and slip critical temperature difference (T 1 -T 2 ) c The graph which shows the time change of. The horizontal axis represents the annealing time (seconds), and the vertical axis represents the temperature difference (° C.).

Claims (3)

半導体基板に不純物イオンを加速して注入するイオン注入後の活性化アニールにランプアニール(RTA)を用い、アニール後の降温時にウエハ内外温度差Δがスリップ発生臨界温度差Δcに達する前に、ランプパワーを一時的に上げ降温速度を一時的に低下させウエハ内外温度差Δを減らす待機ステップを設けたことを特徴とする半導体の熱処理方法。 Lamp annealing (RTA) is used for activation annealing after ion implantation for accelerating and implanting impurity ions into a semiconductor substrate, and before the temperature difference Δ inside and outside the wafer reaches the slip generation critical temperature difference Δc during the temperature drop after annealing , a ramp is used. A semiconductor heat treatment method, characterized in that a standby step is provided in which the power is temporarily increased to decrease the temperature drop rate temporarily to reduce the temperature difference Δ between the inside and outside of the wafer . 半導体基板に不純物イオンを加速して注入するイオン注入後の活性化アニールにランプアニール(RTA)を用い、アニール後の降温時にウエハ内外温度差Δがスリップ発生臨界温度差Δcに達した後に、ランプパワーを一時的に上げ降温速度を一時的に低下させウエハ内外温度差Δをスリップ発生臨界温度差Δcより小さくするような待機ステップを設けたことを特徴とする半導体の熱処理方法。 Lamp annealing (RTA) is used for activation annealing after ion implantation for accelerating and injecting impurity ions into a semiconductor substrate, and after the temperature difference Δ between the inside and outside of the wafer reaches the slip generation critical temperature difference Δc when the temperature decreases after annealing, A semiconductor heat treatment method, characterized in that a standby step is provided in which the power is temporarily increased and the temperature drop rate is temporarily decreased to make the wafer internal / external temperature difference Δ smaller than the slip generation critical temperature difference Δc . 待機ステップにおいてランプパワーを一時的に上げる時間が、待機ステップ温度でのイオンの拡散長が最高温度時のイオン拡散長の20%以下であるようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体の熱処理装置。The time for temporarily increasing the lamp power in the standby step is such that the ion diffusion length at the standby step temperature is 20% or less of the ion diffusion length at the maximum temperature. The semiconductor heat treatment apparatus as described.
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