JP4869130B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に係わり、特に、光加熱により基板内に生じるダメージの軽減を図った半導体装置の製造方法に関する。

ＬＳＩの性能向上は、集積度を高めること、すなわちＬＳＩを構成する素子の微細化により達成されてきている。素子寸法が縮小化されるに伴い、寄生抵抗およびショートチャネル効果は大きくなる。そのため、低抵抗かつ浅いｐｎ接合の形成はその重要性を増してきている。

浅い不純物拡散領域の形成は、低加速エネルギーでのイオン注入とその後に行われるアニールを最適化することにより可能となる。一方で、不純物拡散領域の抵抗を下げるためには、不純物イオンを活性化させるためのアニールを高温で行うことが必要である。

イオン注入される不純物イオンとしては、ボロン（Ｂ）イオン、リン（Ｐ）イオンまたは砒素（Ａｓ）イオンが用いられている。これらの不純物イオンは、シリコン（Ｓｉ）中での拡散係数が大きい。そのため、ハロゲンランプを用いたＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal）では、不純物イオンの内方拡散および外方拡散が生じ、浅い不純物拡散領域を形成することが次第に困難になってきている。

上記内方拡散および外方拡散は、アニール温度を下げることにより、抑制するすることができる。しかし、アニール温度を下げると、不純物イオンの活性化率が大きく低下する。よって、アニール温度を下げるという手法を採用しても、浅い不純物拡散領域を形成することは困難である。

このように従来のハロゲンランプを用いたＲＴＡ処理では、低抵抗かつ浅い（２０ｎｍ以下）の不純物拡散領域を形成することは困難である。

そこで、近年になって、不純物イオンの活性化に必要なエネルギーを瞬時に供給する手法として、キセノン（Ｘｅ）等の希ガスが封入されたフラッシュランプを用いたフラッシュランプアニール法が検討されている。

フラッシュランプの１／２パルス幅は、１０ｍ秒程度である。そのため、フラッシュランプアニール法を用いた場合、ウェハ表面が高温に保たれる時間が極めて短くなるので、ウェハ表面に注入された不純物イオンはほとんど拡散しない。したがって、ウェハ表面に注入された不純物イオンの分布をほとんど全く変化させずに、不純物イオンを活性化させることが可能となる。

しかし、従来のフラッシュランプアニール法には、以下のような問題がある。

十分なアニール効果を十分に得るためには、２０Ｊ／ｃｍ² 以上という大きなパワー強度が必要となる。また、ウェハ表面には急激な温度上昇が生じる。これらの結果、ウェハの表面側と裏面側との間に温度差が発生し、ウェハの内部では熱応力が増加する。このような熱応力の増大によって、ウェハ内にスリップ、クラック（破損）等のダメージ（熱ダメージ）が生じる。このようなウェハへの熱ダメージは、生産歩留まりの低下を招く。

上記ウェハへの熱ダメージは、フラッシュランプ点灯前に、ウェハを予備加熱する温度あるいはフラッシュランプの照射エネルギー密度を下げることで、回避することができる。しかし、その場合には、不純物イオンの十分な活性化は期待できない。

上述の如く、従来のフラッシュランプアニール法では、ウェハ内にスリップ、クラック（破損）等のダメージを招くことなく、ウェハ表面に注入された不純物イオンを十分に活性化することは困難である。そのため、現状では、ウェハ内にダメージを与えることなく、浅い不純物拡散領域を形成することは困難なことである。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、基板を光により加熱し、基板中の不純物イオンを活性化する際に、基板中に発生するダメージを容易に防止することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、単結晶Ｓｉ領域を含むＳｉウェハであって、前記単結晶Ｓｉ領域上に長手方向が前記単結晶Ｓｉ領域の結晶方位と異なるラインパターンを含むパターンが設けられた前記Ｓｉウェハの上方に、光源としてフラッシュランプ光源またはライン状のビームを出射するレーザーを配置する工程と、前記光源から放射された光により前記Ｓｉウェハを加熱する工程であって、前記光により前記Ｓｉウェハ上に形成される光強度分布が、前記単結晶Ｓｉ領域の結晶方位及びラインパターンの長手方向とは異なる方向において強度が最大値となる分布が形成されるように、前記Ｓｉウェハを加熱する工程とを有し、前記単結晶Ｓｉ領域の前記結晶方位が、前記単結晶Ｓｉ領域の劈開面の面方位であり、かつ、前記光強度分布が前記Ｓｉウェハの表面と裏面とで異なることを特徴とする。

以上詳説したように本発明によれば、基板を光により加熱し、基板中の不純物イオンを活性化する際に、基板中に発生するダメージを容易に防止することができる半導体装置おの製造方法を実現できるようになる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、単結晶のＳｉウェハ（Ｓｉ基板）１上にイオン注入用のマスク２が配置され、図示しない周知のイオン注入装置により、不純物イオン３がマスク２上からＳｉウェハ１内に注入される。

ここでは、Ｓｉウェハ１は、通常のバルクＳｉウェハでも、あるいはＳＯＩウェハでも構わない。さらに、シリコンゲルマニウム等のシリコン以外の半導体材料を主成分とするウェハ（基板）を使用しても構わない。また、マスク２は、通常のマスクでも、あるいはステンシルマスクでも構わない。不純物イオン３は、例えば、p型不純物としてはボロン（Ｂ）イオンが、n型不純物としてはリン（Ｐ）イオンあるいは砒素（Ａｓ）イオンが用いられる。

次に、図１（ｂ）に示すように、Ｓｉウェハ１がホットプレート４上に載置され、Ｓｉウェハ１が裏面側から加熱された状態（予備加熱された状態）で、フラッシュランプ光源５から放射された光６により（フラッシュランプアニールにより）、Ｓｉウェハ１が表面側から加熱される。

上記加熱プロセスにより、不純物イオン３が活性化され、図１（ｃ）に示すように、Ｓｉウェハ１の表面に、２０ｎｍ以下の浅い不純物拡散領域７が形成される。

ホットプレート４によるＳｉウェハ１の加熱温度（基板予備加熱温度）は、例えば、４００℃に設定される。加熱温度は４００℃に限定されず、３００〜６００℃の範囲であれば構わない。上記温度範囲であれば、所望通りの濃度プロファイルを有する不純物拡散領域７を容易に形成することができる。基板予備加熱温度は、一般には、フラッシュランプ光源５によるＳｉウェハ１の加熱温度よりも低く設定される。

ここでは、Ｓｉウェハ１を裏面から加熱するために（予備加熱するために）、ホットプレート４（抵抗加熱手段）を使用したが、赤外線ランプの一つであるハロゲンランプ等の加熱手段（光加熱手段）を使用しても構わない。

フラッシュランプ光源５は、Ｘｅガス等の希ガスが封入されたフラッシュランプを複数含む。フラッシュランプ光源５から放射された光６のエネルギーは、例えば、３５Ｊ／ｃｍ² である。光６のエネルギーは３５Ｊ／ｃｍ² に限定されず、６０Ｊ／ｃｍ² 以下であれば構わない。

図２は、上記加熱プロセス時における、フラッシュランプ光源５を構成する複数のフラッシュランプ８とＳｉウェハ１の結晶方位９との関係を示す平面図である。Ｓｉウェハ１の結晶面は例えば（１００）であり、結晶方位９はＳｉウェハ1の劈開面の面方位であり、例えば、＜０１１＞である。

図２から分かるように、本実施形態では、フラッシュランプ光源５とＳｉウェハ１との位置関係は、複数のフラッシュランプ８の配列方向（ランプ配列方向）１０と結晶方位９とが異なるように設定される。本実施形態では、さらに、複数のフラッシュランプ８の長手方向も結晶方位９とは異なる方向に設定されるが、これは必ずしも必要ではない。

一方、従来のフラッシュランプアニール法（比較例）では、図３に示すように、フラッシュランプ光源５とＳｉウェハ１との位置関係は、ランプ配列方向１０（フラッシュランプ８の長手方向）と結晶方位９とが平行になるように設定される。

図４は、ホットプレート４によるＳｉウェハ１の加熱温度（基板予備加熱温度）およびフラッシュランプ光源５によるＳｉウェハ１上の照射エネルギー密度に関しての本実施形態のプロセスウィンドウを示している。図５は、基板予備加熱温度および照射エネルギー密度に関しての比較例のプロセスウィンドウを示している。

基板予備加熱温度が高くなるほど、不純物の活性化に必要な照射エネルギー密度は低く抑えられるが、同時にＳｉウェハ１内に熱ダメージ（スリップ、クラック）が発生する照射エネルギー密度も低くなる。

ここで、Ｓｉウェハ１に熱ダメージが発生する照射エネルギー密度について、本実施形態と比較例とを比較すると、図４および図５から、いずれの基板予備加熱温度においても、本実施形態の方がより高いことが分かる。すなわち、本実施形態の方が比較例よりもプロセスウィンドウが広いことが明らかになった。

一般に、ランプ加熱の場合、ランプ直下では光強度が強く、ランプ間では光強度が弱くなる傾向がある。そのため、ランプ直下とランプ間とでは温度差が生じる。このような温度差によって、Ｓｉウェハ１中に熱応力が発生する。

比較例の場合、上記熱応力は、基板強度の弱い結晶方位に沿って発生すると考えられる。これが、比較例では、Ｓｉウェハ１内に熱ダメージが発生しやすくなる理由だと考えられる。

一方、本実施形態のＳｉウェハ１とフラッシュランプ光源５との位置関係の場合、光６によりＳｉウェハ１上に形成される光強度分布が、Ｓｉウェハ１の結晶方位と異なる方向において強度が最大となる光強度分布が形成される。

その結果、熱応力が発生する方向は、Ｓｉウェハ１の結晶方位とはずれる。これにより、本実施形態では、基板強度を確保でき、スリップやクラック等の熱ダメージに対するＳｉウェハの耐性が向上したと考えられる。

以上述べたように、本実施形態によれば、フラッシュランプアニールを行う際に、Ｓｉウェハ１とフラッシュランプ光源５とを所定の位置関係に設定することにより、Ｓｉウェハ１内に発生する熱ダメージを容易に防止することができる。すなわち、Ｓｉウェハ１内に熱ダメージを招くことなく、浅い不純物拡散領域７を容易に形成することができる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、前出した図と対応する部分には、前出した図と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する（第３の実施形態以降も同様）。

まず、図６（ａ）に示すように、Ｓｉウェハ１上にパターンとなる被加工膜１１が形成される。被加工膜１１は、例えば、シリコン酸化膜等の絶縁膜、多結晶シリコン膜等の半導体膜、アルミニウム膜等の金属膜、あるいはフォトレジスト等のレジストである。

次に、図６（ｂ）に示すように、被加工膜１１が周知のフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工され、複数のラインパターンを含むパターン１１ｐが形成される。

このとき、パターン１１ｐは、複数のラインパターンの配列方向（ラインパターン配列方向）と結晶方位９とが異なるように形成される。パターン１１ｐは、例えば、ゲート絶縁膜等の絶縁体パターン、多結晶シリコンゲート電極等の半導体パターン、アルミニウム配線等の金属パターンあるいはレジストパターンである。

次に、図６（ｃ）に示すように、第１の実施形態と同様に、フラッシュランプ光源５およびホットプレート４により、Ｓｉウェハ１が加熱される。

図７は、上記加熱プロセス時における、ランプ配列方向１０と結晶方位９とラインパターン配列方向１２との関係を示す平面図である。図７から分かるように、本実施形態では、ランプ配列方向１０は、結晶方位９およびラインパターン配列方向１２と異なるように設定される。

Ｓｉウェハ１の光吸収係数とパターン１１ｐの光吸収係数とは異なるので、Ｓｉウェハ１とパターン１１ｐとの間には温度差が生じる。その結果、パターン１１ｐには熱応力が加わる。

しかし、本実施形態のように、ランプ配列方向１０が、ラインパターン配列方向１２および結晶方位９と異なる場合には、温度差が生じ難いことが明らかになった。

したがって、本実施形態によれば、パターン１１ｐを含むＳｉウェハ１の加熱プロセス中に、Ｓｉウェハ１中にスリップやクラック等の熱ダメージが発生することを防止することができる。

なお、ランプ配列方向１０とラインパターン配列方向１２とは同じでも構わないが、異なる方がより高い熱ダメージの軽減効果が期待できる。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係るＭＯＳトランジスタの製造工程を示す断面図である。

まず、図８（ａ）は、周知の方法により、Ｓｉウェハ１上に、ゲート絶縁膜２１、ゲート電極２２が形成される。

次に、図８（ｂ）に示すように、ゲート電極２２をマスクにして、不純物イオン３がＳｉウェハ１の表面に注入される。

次に、図８（ｃ）に示すように、第１の実施形態の図１（ｂ）の工程と同様に、Ｓｉウェハ１が加熱される（第１の加熱処理）。その結果、不純物イオン３が活性化され、エクステンション領域（第１の不純物拡散領域）２４がＳｉウェハ１の表面に自己整合的に形成される。

このとき、第１の実施形態と同様に、ランプ配列方向１０と結晶方位９とが異なる方向に設定されるので、Ｓｉウェハ１中にスリップおよびクラック等の熱ダメージは発生せず、また、プロセスウィンドウも広がる。

次に、図８（ｄ）に示すように、周知の方法により、ゲート側壁絶縁膜（スペーサ）２５が形成され、その後、ゲート側壁絶縁膜２５およびゲート電極２２をマスクにして、図示しない不純物イオンがＳｉウェハ１の表面に注入される。

次に、図８（ｅ）に示すように、第１の実施形態の図１（ｂ）の工程と同様に、Ｓｉウェハ１が加熱される（第２の加熱処理）。その結果、上記不純物イオンが活性化され、ソース／ドレイン領域（第２の不純物拡散領域）２６がＳｉウェハ１の表面に形成される。

このとき、第１の実施形態と同様に、ランプ配列方向１０と結晶方位９とが異なる方向に設定されるので、Ｓｉウェハ１中にスリップおよびクラック等のダメージは発生せず、また、プロセスウィンドウも広がる。

さらに、第１の加熱処理時には、Ｓｉウェハ１またはフラッシュランプ光源５が回転され、第２の加熱処理時のランプ配列方向１０が、第１の加熱処理時のフラッシュランプ８の配列方向とは異なる方向に設定される。これにより、第２の加熱処理時のフラッシュランプの照射により、Ｓｉウェハ１中に発生する熱応力の方向と、第１の加熱処理時のフラッシュランプの照射により、Ｓｉウェハ１中に発生する熱応力の方向とは互いに異なる。

その結果、Ｓｉウェハ１中に累積する熱応力による負荷は、効果的に軽減される。これにより、２回の加熱処理を行う場合でも、Ｓｉウェハ１のスリップ、クラック等の熱ダメージに対する耐性を容易に向上させることができる。

３回以上の加熱処理を行う場合でも、各加熱処理におけるランプ配列方向１０を互いに異なるように設定することにより、上記効果を得ることができる。

なお、必ずしも全ての加熱処理において、ランプ配列方向１０が互いに異なっている必要はない。例えば、３回以上の加熱処理を行う場合、最初の加熱処理と最後の加熱処理とを同じにすることも可能である。これは、最初の加熱処理と最後の加熱処理とが時間的に離れ、これらの加熱処理の累積の影響が小さいからである。

本実施形態の複数回の加熱処理方法は、ＭＯＳトランジスタの不純物拡散領域（エクステンション領域２４、ソース／ドレイン領域２６）以外の不純物拡散領域の形成プロセス（アニールプロセス）に対しても有効である。さらに、不純物イオンのアニールプロセス以外の熱プロセスに対しても有効である。

また、複数のＭＯＳトランジスタを形成する場合、複数のゲート電極２２の配列方向は、結晶方位９およびランプ配列方向１０と異なる方向に設定されることが好ましい（参照：第２の実施形態）。

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。

まず、図９（ａ）に示すように、Ｓｉウェハ１上にイオン注入用のマスク２が配置され、図示しないイオン注入装置により不純物イオン３がマスク２上からＳｉウェハ１内に注入される。

次に、図９（ｂ）に示すように、Ｓｉウェハ１がホットプレート４上に載置され、Ｓｉウェハ１が裏面側から加熱された状態で、フラッシュランプ光源５から放射された光６により、Ｓｉウェハ１が表面側から加熱される。上記加熱プロセスにより、不純物イオン３は活性化され、不純物拡散領域が形成される。

ここで、Ｓｉウェハ１とフラッシュランプ光源５との間の距離（照射距離）Ｌは、２３〜４６ｍｍの範囲の値に設定される。フラッシュランプ光源５を構成する複数のフラッシュランプから発生される光のエネルギーは、実質的に同じレベルである。

２３ｍｍ≦Ｌ≦４６ｍｍに設定した理由は、以下の通りである。

図１０は、Ｓｉウェハ１の面内における光６の強度の均一性σと照射距離Ｌとの関係を示す図である。図１１は、リップル幅／平均光強度と照射距離Ｌとの関係を示す図である。リップル幅は、フラッシュランプ直下のＳｉウェハ１表面の光強度Ｄ１と、隣接する二つのフラッシュランプ間の直下のＳｉウェハ１表面の光強度Ｄ２との差（Ｄ１−Ｄ２）である。平均光強度はＳｉウェハ１表面上の光６の平均強度である。図１０および図１１は、Ｓｉウェハ１のサイズが８インチの場合の結果であるが、他のサイズでも同様の結果が得られた。

図１０から、光強度面内均一性σの値は、照射距離Ｌが２３ｍｍよりも短くなると増加し、また、照射距離Ｌが４６ｍｍより長くても増加することが明らかになった。さらに、図１０から、２３ｍｍ≦Ｌ≦４６ｍｍの範囲で、光強度面内均一性σの値は１％以下となることも分かる。σ＝１％以下という値は、スペック上、十分な値である
一方、図１１から、リップル幅／平均光強度は、照射距離Ｌ＝３０ｍｍ前後および６９ｍｍ前後において、十分に低い値となる。しかし、照射距離Ｌ＝６９ｍｍ前後では、光強度面内均一性σの値は、図１０に示すように、大きくなってしまう。

したがって、照射距離Ｌを２３ｍｍ以上４６ｍｍ以下の範囲に設定することにより、光強度面内均一性σおよびリップル幅／平均光強度の照射距離の依存性を同時に小さくすることができる。これにより、光強度面内均一性σおよびリップル幅／平均光強度に起因した熱応力の影響が十分に小さくなり、スリップやクラック等の熱ダメージに対するＳｉウェハの耐性は向上する。

また、本実施形態の不純物拡散領域７をソース／ドレイン領域に使用したＭＯＳＦＥＴで構成されたロジック回路の平均歩留まりを調べたところ、照射距離Ｌを２３ｍｍ以上４６ｍｍ以下の範囲に設定することにより、９７％を達成することができた。

なお、上記方法以外に、光強度面内均一性σおよびリップル幅／平均光強度の照射距離の依存性を同時に小さくする方法として、Ｓｉウェハ１とフラッシュランプ光源５との間に、光拡散板あるいは光強度フィルタを設ける方法もある。しかし、これらの方法には、以下のような問題がある。

フラッシュランプ光源５から放射された光６のエネルギーは、光拡散板あるいは光強度フィルタにより、Ｓｉウェハ１に到達するまでに、減衰される。そのため、光拡散板あるいは光強度フィルタにより生じるエネルギーの減衰量に対応した分だけ、本実施形態よりも大きな電力（高い電圧）をフラッシュランプ光源５に供給する必要が生じる。これは、フラッシュランプ光源５を構成する複数のフラッシュランプの耐圧を劣化させ、フラッシュランプ光源５の寿命を縮めてしまうことになる。

これに対して、本実施形態によれば、光６のエネルギーの減衰はほとんど生じないので、Ｓｉウェハ１を効率よく加熱することができる。これにより、フラッシュランプ光源５に大きな電力（高い電圧）を印加する必要がなく、フラッシュランプ光源５の短命化を防止することが可能となる。

なお、本実施形態の方法と第２の実施形態の方法とを組み合わせても構わないし、あるいは本実施形態の方法と第３の実施形態の方法とを組み合わせても構わない。

第１〜第４の実施形態では、加熱処理用の光源として、フラッシュランプを使用した例を示したが、ハロゲンランプ等の他のランプを使用することもでき、さらに、レーザー等のランプ以外の光源を使用することも可能である。

例えば、ライン状のビームを出射するレーザーを使用する場合には、第１〜第４の実施形態のランプ配列方向をレーザービームの長手方向と読み替えることによって、第１〜第４の実施形態と同様に実施することができ、第１〜第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
本実施形態の半導体装置の製造方法が、従来のそれと異なる点は、フラッシュランプ光源５の１／２パルス幅が所定値（１ｍ秒）以下に設定されることにある。

まず、先の図１（ａ）に示すように、Ｓｉウェハ１上にイオン注入用のマスク２が配置され、図示しないイオン注入装置により不純物イオン３がマスク２上からＳｉウェハ１内に注入される。

次に、先の図１（ｂ）に示すように、Ｓｉウェハ１がホットプレート４上に載置され、Ｓｉウェハ１が裏面側から加熱された状態で、フラッシュランプ光源５から放射された光６によりＳｉウェハ１が表面側から加熱される。

ここでは、ホットプレート４によるＳｉウェハ１の加熱温度は、５００℃とする。ホットプレート４の代わりに、赤外線ランプの一つであるハロゲンランプ等の他の加熱手段を使用しても構わない。また、Ｓｉウェハの加熱温度は、５００℃以外でも良い。

また、フラッシュランプ光源５から放射された光６のエネルギーは、例えば、２０〜４０Ｊ／ｃｍ² である。フラッシュランプ光源５の１／２パルス幅は、１ｍ秒以下に設定される。

なお、本実施形態のフラッシュランプ光源５は、研究用に独自に開発されたものであり、従来のフラッシュランプ光源では不可能な１ｍ秒以下という短い１／２パルス幅が設定可能なものである。１／２パルス幅を短くするには、フラッシュランプ光源の回路に接続されたコンデンサ容量を小さくすれば良い。例えば、数１００μFのコンデンサをフラッシュランプに対して並列に接続すれば、１ｍ秒以下の１／２パルス幅を達成できる。実際には、４００μＦで０．７ｍｓを達成できている。

図１２に、本実施形態のフラッシュランプ光源５から放射された光６の発光波形を示す。本実施形態では、図１２に示すように、１／２パルス幅は０．３ｍ秒に設定される。図１２には、比較例として、１／２パルス幅が３．０ｍ秒に設定された場合の発光波形も示されている。

上記加熱プロセスにより、不純物イオン３は活性化され、先の図１（ｃ）に示すように、Ｓｉウェハ１の表面に、２０ｎｍ以下の浅い不純物拡散領域７が形成される。

図１３および図１４は、それぞれ、本実施形態（１／２パルス幅＝０．３ｍ秒）および比較例（１／２パルス幅＝３ｍ秒）におけるフラッシュランプ照射後の各時間におけるＳｉウェハ１の厚さ方向の温度分布を示す図である。

本実施形態の場合、フラッシュランプ照射後、Ｓｉウェハ１の表面温度は急上昇し、約０．３ｍ秒後に最大１１００℃まで到達する。このとき、Ｓｉウェハ１の裏面温度は、ホットプレート４による基板予備加熱温度によって支配される。その結果、Ｓｉウェハ１の表面側と裏面側とで６００℃近い温度差が発生する。

一方、比較例の場合、フラッシュランプ照射後、約３ｍ秒後にＳｉウェハ１の表面温度は最大１１００℃に到達する。比較例の１／２パルス幅は、本実施形態の１／２パルス幅よりも長い。そのため、比較例のウェハ厚さ方向の温度分布は、本実施形態のそれに比べると緩やかになる。

図１５および図１６は、それぞれ、本実施形態および比較例におけるフラッシュランプ照射後の各時間におけるＳｉウェハ１の厚さ方向に発生する応力を説明するための図であり、図１５（ａ）はＳｉウェハ表面を深さ０ｍｍとする上記応力の分布図、図１５（ｂ）はＳｉウェハ断面における上記応力を模式的に示す図である。本実施形態および比較例の基板予備加熱温度はともに５００℃である。

なお、図１５（ａ）および図１６（ａ）のそれぞれにおいて、引っ張り応力を示す波形と応力＝０の直線とで規定される面積は、照射時間後の時間に関わらず、圧縮応力を示す波形と上記直線とで規定される面積に等しい。

本実施形態および比較例のいずれにおいても、フラッシュランプ照射後、Ｓｉウェハ１内には応力が成長する。該応力は、Ｓｉウェハ１の表面部分では圧縮応力として成長していき、Ｓｉウェハ１の内部から裏面部分にかけては引っ張り応力として成長していく。

そして、本実施形態の場合、フラッシュランプ照射後、約０．３〜０．５ｍ秒に発生する応力が最大となり、最大引っ張り応力値は約４０ＭＰａになる。一方、比較例の場合、フラッシュランプ照射後、約３〜５ｍ秒に発生する応力が最大となる。

また、圧縮応力から引っ張り応力へと変わる深さは、比較例の方が本実施形態よりも深い。言い換えれば、比較例の方が、本実施形態に比べて、よりＳｉウェハ１の裏面側に近い領域で、圧縮応力と引っ張り応力とのバランスが保たれる。したがって、本実施例の方が比較例よりもＳｉウェハの表面温度と裏面温度との差が大きいにもかかわらず、比較例の方が本実施形態よりも引っ張り応力の絶対値は大きくなる。比較例の場合、引っ張り応力は、最大で約１２０ＭＰａにも及ぶ値にまで成長することになる。

図１７は、他の比較例（第２の比較例）の発光波形を示す図である。第２の比較例は、図１２に示された比較例（第１の比較例）よりも、発光パルスの立ち上がり時間は短いが、１／２パルス幅は３ｍ秒で同じである。

第２の比較例の応力分布および最大応力量を調べたところ、第１の比較例と同様の結果が得られた。この結果から、引っ張り応力の発生する深さを、よりウェハ表面側に移動させるためには、１／２パルス幅を短縮させることが必要であることが明らかになった。

図１８は、Ｓｉウェハの脆性破壊曲線を示す図である。図１８から、Ｓｉウェハの引っ張り応力に対する強度は、Ｓｉウェハの加熱温度が高くなるほど、低下することが分かる。

さらに、図１５（本実施形態）および図１６（比較例）の基板予備加熱温度である５００℃において、Ｓｉウェハが破壊（スリップまたはクラック）しない最大の引っ張り応力値は、約１００ＭＰａであることが分かる。本実施形態の引っ張り応力は１０〜３０ＭＰａ、比較例の引っ張り応力値は１００〜１２０であるので、本実施形態の方が比較例よりもＳｉウェハの破壊は起こり難いことになる。すなわち、本実施形態の方が比較例よりもプロセスウィンドウは広い。

図１９および図２０に、それぞれ、基板予備加熱温度および照射エネルギー密度に関しての本実施形態および比較例のプロセスウィンドウを示す。

基板予備加熱温度が高くなるほど、不純物の活性化に必要な照射エネルギー密度は低く抑えられるが、同時にＳｉウェハ１にスリップあるいはクラックが発生する照射エネルギー密度も低くなる。

ここで、Ｓｉウェハ１中にスリップあるいはクラックが発生する照射エネルギー密度について、本実施形態と比較例とを比較すると、図１９および図２０から、いずれの基板予備加熱温度においても、本実施形態の方がより高いことが分かる。したがって、基板予備加熱温度が低く、１／２パルス幅が短くなるほど、プロセスウィンドウはより広くなると考えられる。

以上述べたように、本実施形態によれば、フラッシュランプ光源５の１／２パルス幅を短く設定することにより、引っ張り応力値を小さくできる。これにより、Ｓｉウェハ１の熱応力耐性が向上するので、Ｓｉウェハ１中にスリップあるいはクラック等の熱ダメージを発生させることなく、Ｓｉウェハ１中に注入した不純物イオンを活性化させることができるようになる。すなわち、本実施形態によれば、プロセスウィンドウが広い不純物拡散領域のプロセスを実現することが可能となる。

図２１は、不純物拡散領域７をソース／ドレイン領域に使用したＭＯＳＦＥＴのゲートリーク電流と１／２パルス幅との関係を示す図である。図では、簡単のために、横軸を１／２パルス幅ではなくパルス幅と表記してある（他の図も同様）。図２１から、１／２パルス幅が１ｍ秒以下になると、ゲートリーク電流は急低下し（スペック以下）、１／２パルス幅が０．５ｍ秒以下になると、ゲートリーク電流はほぼ一定の低い値で安定化することが分かる。同様の結果は、本実施形態の不純物拡散領域７を使用したＭＯＳキャパシタにおいても得られた。

図２２は、不純物拡散領域７で構成されたｐｎ接合の接合リーク電流と１／２パルス幅との関係を示す図である。図２２から、１／２パルス幅が１ｍ秒以下になると、接合リーク電流は急低下し（スペック以下）、１／２パルス幅が０．５ｍ秒以下になると、接合リーク電流はほぼ一定の低い値で安定化することが分かる。

図２３は、上記ＭＯＳＦＥＴで構成されたロジック回路の歩留まりと１／２パルス幅との関係を示す図である。図２３から、１／２パルス幅が１ｍ秒以下になると、歩留まりは急上昇し、１／２パルス幅が０．５ｍ秒以下になると、歩留まりはほぼ一定の高い値で安定化することが分かる。

以上の結果から、１／２パルス幅は１ｍ秒以下、より好ましくは０．５ｍ秒以下に設定することにより、素子特性の改善および歩留まりを図れることが分かる。これは、１／２パルス幅を１ｍ秒以下に設定することにより、上述したメカニズムにより、熱ダメージの原因となる引っ張り応力値が十分に小さくなるからだと考えられる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態を適宜組み合わせた実施形態も可能である。例えば、第５の実施形態を第１〜４の実施形態に適用した実施形態も可能である。

さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決できる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図 第１の実施形態の加熱プロセス時における、複数のフラッシュランプとＳｉウェハの結晶方位との関係を示す平面図 従来の加熱プロセス時における、複数のフラッシュランプとＳｉウェハの結晶方位との関係を示す平面図 基板予備加熱温度および照射エネルギー密度に関しての第１の実施形態のプロセスウィンドウを示す図 基板予備加熱温度および照射エネルギー密度に関しての比較例のプロセスウィンドウを示す図 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図 第２の実施形態の加熱プロセス時における、ランプ配列方向と結晶方位とラインパターン配列方向との関係を示す平面図 本発明の第３の実施形態に係るＭＯＳトランジスタの製造工程を示す断面図 本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図 第４の実施形態における、Ｓｉウェハの面内における光の強度の均一性と照射距離Ｌとの関係を示す図 第４の実施形態における、リップル幅／平均光強度と照射距離との関係を示す図 本実施形態および比較例のフラッシュランプの発光波形を示す図 本実施形態におけるフラッシュランプ照射後の各時間におけるＳｉウェハの厚さ方向の温度分布を示す図 比較例におけるフラッシュランプ照射後の各時間におけるＳｉウェハの厚さ方向の温度分布を示す図 本実施形態におけるフラッシュランプ照射後の各時間におけるＳｉウェハの厚さ方向に発生する応力を説明するための図 比較におけるフラッシュランプ照射後の各時間におけるＳｉウェハの厚さ方向に発生する応力を説明するための図 他の比較例（第２の比較例）の発光波形を示す図 Ｓｉウェハの脆性破壊曲線を示す図 基板予備加熱温度および照射エネルギー密度に関しての第５の実施形態のプロセスウィンドウを示す図 基板予備加熱温度および照射エネルギー密度に関しての比較例のプロセスウィンドウを示す図 第７の実施形態の不純物拡散領域で構成されたＭＯＳキャパシタのゲートリーク電流とパルス幅との関係を示す図 第７の実施形態の不純物拡散領域で構成されたｐｎ接合の接合リーク電流とパルス幅との関係を示す図 第７の実施形態の不純物拡散領域で構成されたデバイスの歩留まりとパルス幅との関係を示す図

符号の説明

１…Ｓｉウェハ（Ｓｉ基板）、２…マスク、３…不純物イオン、４…ホットプレート、５…フラッシュランプ光源、６…光、７…不純物拡散領域、８…フラッシュランプ、９…結晶方位、１０…ランプ配列方向、１１…被加工膜、１１ｐ…パターン、１２…ラインパターン配列方向、２１…ゲート絶縁膜、２２…ゲート電極、２４…エクステンション領域、２５…ゲート側壁絶縁膜、２６…ソース／ドレイン領域。

Claims (3)

1. 単結晶Ｓｉ領域を含むＳｉウェハであって、前記単結晶Ｓｉ領域上に長手方向が前記単結晶Ｓｉ領域の結晶方位と異なるラインパターンを含むパターンが設けられた前記Ｓｉウェハの上方に、光源としてフラッシュランプ光源またはライン状のビームを出射するレーザーを配置する工程と、
   前記光源から放射された光により前記Ｓｉウェハを加熱する工程であって、前記光により前記Ｓｉウェハ上に形成される光強度分布が、前記単結晶Ｓｉ領域の結晶方位及び前記ラインパターンの長手方向とは異なる方向において強度が最大値となる分布が形成されるように、前記Ｓｉウェハを加熱する工程と
   を有し、前記単結晶Ｓｉ領域の前記結晶方位が、前記単結晶Ｓｉ領域の劈開面の面方位であり、かつ、前記光強度分布が前記Ｓｉウェハの表面と裏面とで異なることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記フラッシュランプ光源は複数のフラッシュランプを含み、かつ、前記複数のフラッシュランプの配列方向が、前記単結晶Ｓｉ領域の結晶方位と異なる方向になるように、前記フラッシュ光源を前記Ｓｉウェハの上方に配置することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記ビームの長手方向が、前記単結晶Ｓｉ領域の前記結晶方位と異なる方向になるように、前記光源を前記Ｓｉウェハの上方に配置することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

Images