JP4899482B2

JP4899482B2 - 半導体ウエハ急速加熱装置

Info

Publication number: JP4899482B2
Application number: JP2006003126A
Authority: JP
Inventors: 岳彦横森
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2006-01-11
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2026-01-11
Also published as: JP2007188914A

Description

この発明は、半導体ウエハの急速加熱装置に関する。特に、フラッシュランプを用いた半導体ウエハ急速加熱装置であって、該ウエハの保持部の形状に特徴を持つ半導体ウエハ急速加熱装置に関する。

近年、半導体集積回路の高集積化や微細化が進められており、該半導体ウエハの厚み方向にも複数層の回路を形成する等が成されている。このような半導体集積回路を形成する場合、該半導体ウエハの表層部分に、例えば薄い不純物拡散層を形成する等の方法が知られている。この方法は、該半導体ウエハの表層部分におけるＳｉ結晶に、例えばイオン注入等により不純物を導入し、該半導体ウエハに熱処理を施すことにより、該表層部分に不純物拡散層を形成させるものである。該不純物拡散層を形成する場合、不純物が導入された該半導体ウエハをできるだけ短時間の間に加熱処理をすることが重要となる。不純物が導入された該半導体ウエハが長時間の間高温に曝されると、該不純物が熱拡散する距離が長くなり、不純物拡散層の厚みが大きくなってしまい、薄い不純物拡散層が形成できなくなってしまうためである。

該不純物拡散層を形成するためには、該半導体ウエハを例えば１０００℃以上に昇温することが必要であり、且つ、該不純物拡散層の厚みを薄くするためには、極力短い時間で１０００℃以上の温度の昇降温処理が必要になる。このように、短時間で急速な昇降温を実現する装置として、ＲＴＰ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｃｅｓｓ）装置が知られている。該ＲＴＰ装置の加熱源としては、ハロゲンランプが広く用いられており、該ハロゲンランプから放射される光を点灯点滅することにより、該半導体ウエハの急速な昇降温を実現している。

しかし、近年の半導体集積回路の更なる高集積化や微細化、また回路駆動時の消費電力の低減や回路自身の高速化に伴って、該不純物拡散層の厚みを極めて薄く形成することが必要になってきた。例えば、２０ｎｍ以下の不純物拡散層を形成する場合に、ハロゲンランプによる急速加熱では、熱的な拡散距離が長くなり、薄い層が形成できないといった問題が出てきた。そこで、ＲＴＰ装置の加熱源として、フラッシュランプを用い、フラッシュ点灯することにより、非常に高いエネルギーを短時間で該半導体ウエハに投入し、瞬時に昇降温する装置が提案されている。このような技術としては、例えば特開平２００４−３１５５７号公報がある。

図６に、従来のフラッシュランプを用いた光加熱装置の概要を示す。光加熱装置４１は、シリコン等からなる半導体ウエハＷを被処理物とするものであって、雰囲気ガス導入口４２Ａと、排出口４２Ｂとを有する石英ガラス製のチャンバー４４と、このチャンバー４４内に配置された半導体ウエハＷを支持するための支持用台４５とを備えている。チャンバー４４の天井面（図６において上面）には、石英の平板４６が気密な透光部材として設けられる。

該平板４６の上方には、フラッシュランプ４８が加熱源として設けられ、チャンバー４４の下方には予備加熱手段としてのハロゲンヒータランプ４９が設けられている。このハロゲンヒータランプ４９は、支持用台４５に埋設されて、チャンバー制御回路５０により温度制御される。このチャンバー制御回路５０では、支持用台４５の昇降機能や雰囲気ガス導入口４２Ａ、排出口４２Ｂの開閉制御なども行なわれる。

この光加熱装置４１によれば、不純物が導入されたシリコンからなる半導体ウエハＷがチャンバー４４内に搬入されると、ハロゲンヒータランプ４９により半導体ウエハＷを不純物の熱拡散が問題にならない所定温度まで予備加熱した後、フラッシュランプ４８を発光させることで半導体ウエハＷへの閃光放射による熱処理が行なわれる。このような熱処理により、半導体ウエハＷはその表層部分が急速に高温になるよう加熱され、その後、急速に冷却されてチャンバー４４から搬出される。なお、予備加熱は、ウエーハの厚み方向の温度勾配を小さくすることと照射面の温度を所望の範囲まで上昇させるために必要なランプに注入するエネルギーを最小に留めるという理由で行なうことが好ましく、加熱温度は、３００〜６００℃の範囲から選択され、例えば、３５０℃である。また、ハロゲンヒータランプ４９とフラッシュランプ４８による熱処理中における半導体ウエハＷの表面温度は１０００℃以上になり、具体的には１０００℃〜１３００℃の範囲で熱処理される。このように、半導体ウエハＷにおける最大温度を１０００℃以上にまで加熱することにより、ウエハ表層部分に確実に不純物拡散層を形成することができる。

フラッシュランプ４８は、平板４６に沿って等間隔で並行に配列されており、これらフラッシュランプ４８に対して共通の反射鏡５１が覆い被さり、この反射鏡５１をケーシング５２が収納する。また、各フラッシュランプ４８の点灯動作は給電装置５３により制御される。
特開平２００４−３１５５７号

しかしながら、前記のようなフラッシュランプを用いた光加熱装置で半導体ウエハを急速加熱する場合、該フラッシュランプを点灯させるパルス電流のピーク値に対する半値全幅の時間であるパルス幅を短くするにつれて、該半導体ウエハが光照射により飛び跳ねるといった問題が発生した。この飛び跳ねる理由は、次のように考えられる。該半導体ウエハの光照射される面が光照射に伴って急激な熱膨張を発生する。この時、該半導体ウエハの光照射された面と、支持用台側の面との間での温度差によって生じる熱膨張の差によって、該半導体ウエハが瞬時に該フラッシュランプ側（以下、上方と称する）に凸状に変形を起こす。この変形は、非常に短時間で発生するため、該半導体ウエハの端面で該支持用台を叩き付ける様な力が発生し、結果として該半導体ウエハ自身が飛び跳ねることになると考えられる。また、該フラッシュランプから放射される光のエネルギーが５０Ｊ/ｃｍ２以上であって、パルス点灯される一回のパルス幅が５ｍｓで照射した場合、該半導体ウエハが光照射によって割れるといった新たな問題も生じた。

そこで、この発明が解決しようとする課題は、半導体ウエハをフラッシュランプを用いて急速加熱する場合に、該半導体ウエハが割れることなく、且つ、該半導体ウエハが飛び跳ねたりすることが無い該半導体ウエハの保持構造を持つ半導体ウエハ急速加熱装置を提供することにある。

この発明の半導体ウエハ急速加熱装置は、フラッシュランプと該フラッシュランプから放射される光を被加熱物側に反射する反射板とからなる光源部、半導体ウエハを支持する支持用台を配置した加熱処理チャンバ、を具備し、該フラッシュランプの光によって半導体ウエハを急速加熱処理する半導体ウエハ急速加熱装置において、前記支持用台は、円筒状、または円柱状に突出する凸部が設けられ、該凸部の直径が該半導体ウエハの直径より小さく、該支持用台下方、または、該支持用台内部に、予備加熱用ヒーターが配置されており、該予備加熱用ヒーターには、高温部と低温部が設けられ、該低温部は該支持用台の該凸部の直径より径の小さい部分に配置され、その外周に高温部が配置されていることを特徴とする。
尚、ここでは該支持用台に対して該フラッシュランプが配置されている側を上方、その反対側を下方とした。

また、前記支持用台は、該支持用台上に配置する該半導体ウエハの直径に対する該凸部の直径の比が、７０％乃至９２％であることを特徴とする。

本発明の半導体ウエハ加熱装置によれば、半導体ウエハの直径より小さな該支持用台であって、該半導体ウエハを配置する部分が突出した凸部を構成していることにより、該半導体ウエハを急速加熱しても、該半導体ウエハが飛び跳ねたり割れるといったことがない、という利点がある。
この効果は、以下の様な現象によるものと考えられる。該半導体ウエハにフラッシュランプからの光が照射されると、該半導体ウエハの光を照射した面が急激に昇温し、この昇温に伴う急速な熱膨張を起こす。
これに対し、該半導体ウエハの支持用台側の面は光による加熱が無いので、急激な温度上昇をすることが無く、熱膨張も少ない。このような温度差に伴い、該半導体ウエハの表裏面での熱膨張による伸びに差が生じる。この熱膨張に起因する伸びの差によって、該半導体ウエハの光照射側の面には、引っ張り方向の力が加わり、該支持用台側の面には圧縮方向の力が発生する。
このため、該半導体ウエハは、該フラッシュランプ側（上方）に凸状に変形する。この変形は、非常に短時間で発生するため、該半導体ウエハの端面で該支持用台を叩き付ける様な力が発生し、該半導体ウエハ自身を飛び跳ねさせようとする。

一方、該支持用台の凸部の直径は、該半導体ウエハの直径より小さくなっており、本発明の構成では、該半導体ウエハの端部が該支持用台に叩きつけられるといったことが無い。これにより、該半導体ウエハが上方に飛び跳ねることが無い、と考えられる。

更には、該凸部の形状が該半導体ウエハの直径に対して７０％乃至９２％の範囲であることにより、該半導体ウエハが凸状に変形しても、該半導体ウエハの直径に係らず、該半導体ウエハの端部で支持台を叩き付けるような力が働かず、該半導体ウエハが飛び跳ねたり割れたりすることが無い、といった効果がある。

また、該支持用台は、予備加熱用ヒーターに近接配置されており、該予備加熱用ヒーターには、高温部と低温部が設けられ、該低温部は該支持用台の該凸部の直径より小さい径の部分に形成され、その外周に高温部が設けられていることにより、被処理物である半導体ウエハに直接は接していない該半導体ウエハの端部からの放熱を補正し、該半導体ウエハ自身を、その大きさに係らず均等に加熱できる、といった利点がある。

本発明の半導体ウエハ加熱装置は、複数本のフラッシュランプを並列配置した光源部を持ち、該半導体ウエハを加熱処理する際に該半導体ウエハを保持する支持用台を具備した半導体ウエハ加熱装置であって、該支持用台には、円筒状、または円柱状に突出する凸部が設けられ、該凸部の直径が該半導体ウエハの直径より小さいことで、該半導体ウエハの急速加熱時に発生する飛び跳ねや割れを抑制するものである。

本発明の第１の実施例として、半導体ウエハ急速加熱装置１の概略断面図を図１に示す。該半導体ウエハ急速加熱装置１は、光源部２と、加熱処理チャンバ部３と、予備加熱機構部４と、から構成されている。該光源部２には、管状のフラッシュランプ５と反射ミラー６が配置され、例えば石英ガラスから成る光透過性窓部７が設けられている。該加熱チャンバ部３には、半導体ウエハ出入口８、雰囲気ガス導入口９、支持用台１０が具備され、該支持用台１０の上に加熱処理される半導体ウエハＷが搬送される。該支持用台１０には、凸部２０が形成されており、該支持用台１０に該半導体ウエハＷを置いた場合に、該半導体ウエハＷの端部側円周部Ｗ１が該支持用台１０の凸部２０の円周部２０ａより外側に配置される。また、該加熱チャンバ部３には、該光源部２から放射される光を取り込む窓部１１が設けられ、該光透過性窓部７と接続されている。本実施例では該光透過性窓部７に用いられる石英ガラスから成る板材等によって該光源部２と該加熱チャンバ部３の各々が仕切られているが、該加熱チャンバ部３の窓部１１にも、例えば石英ガラスから成る光透過性部材を配置しても良い。また、該支持用台１０と該予備加熱機構部４とは、伝熱部１２によって仕切られ、該加熱チャンバ部３と該予備加熱機構部４とを分けている。本実施例においては、該伝熱部１２は、例えば石英ガラス等からなる光透過性の板状部材を用いている。該予備加熱機構部４は、半導体ウエハの形状に合わせた、例えば棒状のハロゲンランプ１３が複数本設けられ、該伝熱部１２側に光を反射する反射板１４が設けられている。本実施例では、該予備加熱機構部４が、該ハロゲンランプ１３を配置した光加熱タイプを示したが、シーズヒータ等の伝熱タイプのヒータであっても良い。該伝熱タイプの場合、該伝熱部１２は、金属等の伝熱部材であれば良く、光透過性部材を用いなくても良い。

該半導体ウエハ急速加熱装置１の該加熱処理チャンバ部３には、該半導体ウエハＷが搬送用ロボットアーム等によって、該半導体ウエハ出入口８から搬送され、支持用台１０上に配置される。その後、該加熱処理チャンバ部３内は、内部のガスを排気し、処理に必要なガス、例えばアルゴン等の不活性ガス、が該雰囲気ガス導入口９より規定量だけ導入される。一方、該半導体ウエハＷは、予備加熱機構部４に具備されたハロゲンランプ１４によって１５０℃から６００℃程度に予備加熱される。次に、該フラッシュランプ５を、例えば、投入電力５０Ｊ／ｃｍ^２、点灯時間を決める投入電流のパルス幅半値全幅は５ｍｓ、でパルス点灯させる。この時、該半導体ウエハＷの表面温度の最高値（以下、ピーク温度と記す）は、１０００℃以上、好ましくは１０００℃から１３００℃と成るよう熱処理される。

次に、図２として、該支持用台１０に設けられた凸部２０の形状について示す。図２−ａ）は、該支持用台１０に該半導体ウエハＷを配置した場合であって、該半導体ウエハＷを置く面側から見た正面図である。該凸部２０の形状が、該半導体ウエハＷの直径より、小さい円形となっている。図２−ｂ）は、図２−ａ）における該支持用台１０の中心を通る一点鎖線で切断したＡ−Ａ断面を示したのもである。該Ａ−Ａ断面における該凸部２０の形状は略長方形となっている。尚、図２−ｂ）では該凸部２０の形状を該半導体ウエハＷの直径より、やや小さい円形であって、断面方向では長方形とした。また、図２−ｃ）は、同じく図２−ａ）におけるＡ−Ａ断面であって、該凸部２０の他の形状を示す断面図である。図２−ｃ）に示すように、該凸部２１の円周部２１ａ近傍で、該半導体ウエハＷと接する面が平面であれば良く、該凸部２１の中心付近には凹所２２が設けられているものである。尚、このような形状においては、該凸部２１の最外直径を該凸部２１の直径とする。

図３には、実施例１における該支持用台１０に設けられた該凸部２０の高さを変えた場合に、各照射エネルギーによって該半導体ウエハＷが割れたり、飛び跳ねたりするか否かの比較実験の結果を示した。該実験では、該支持用台１０の該凸部２０の高さ方向の距離を０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．５ｍｍの各々の場合について検証した。該凸部２０の直径は、被照射物である半導体ウエハＷの直径に対して８５％の大きさで行った。また、該半導体ウエハＷのサイズには、３インチ、１２インチの２種類のウエハを用い、該半導体ウエハＷへの予備加熱温度は４００℃とした。また、フラッシュランプ５から放射する光としては、図３−ａ）では、パルス幅５ｍｓ、照射エネルギーを３０〜６５Ｊ／ｃｍ＾２、図３―ｂ）では、パルス幅０．５ｍｓ、照射エネルギーを１０〜５０Ｊ／ｃｍ＾２とした。尚、光の照射条件としては、パルス幅５ｍｓとパルス幅０．５ｍｓとを採用したが、その理由は以下の通りである。該パルス幅５ｍｓでは、該パルス幅（５ｍｓ）より長いパルス幅で点灯すると、電流の振動が発生し、充電器を破壊してしまうため、実質的に５ｍｓが最長のパルス幅となる。また、該パルス幅０．５ｍｓでは、半導体加熱で使用される中間的なエネルギーである５０Ｊ／ｃｍ＾２以上のエネルギーをランプに投入すると、数回の点灯で該ランプ自身が白濁し、場合によっては破損する等のため、実質的に０．５ｍｓが最短のパルス幅となる。

図３−ａ）の実験では、比較例である該凸部２０の高さが０ｍｍ、つまり平坦な面に該半導体ウエハＷを配置する構造（従来）において、該半導体ウエハＷの各サイズとも、照射エネルギーが６０Ｊ／ｃｍ＾２以上で割れが発生した。一方、該半導体ウエハＷのサイズや照射エネルギーといった光の照射条件に係らず、該凸部２０の高さが、０．１ｍｍ以上では割れは発生しなかった。

次に、図３−ｂ）の実験においても、比較例である該凸部２０の高さが０ｍｍにおいて、該半導体ウエハＷの各サイズとも、照射エネルギーが４０Ｊ／ｃｍ＾２以上で割れが発生した。一方、該半導体ウエハＷのサイズや照射エネルギーといった光の照射条件に係らず、該凸部２０の高さが、０．１ｍｍ以上では割れは発生しなかった。尚、図３−ｂ）において、該半導体ウエハＷの割れが発生する照射エネルギーが、図３−ａ）より低いエネルギーであるのは、パルス幅が短い方が、該半導体ウエハＷの温度上昇が急峻になり、該半導体ウエハＷに発生する応力が大きくなるためと思われる。

図３−ａ）、及び図３−ｂ）の実験より、半導体ウエハＷのサイズや照射エネルギーに係らず、該凸部２０、２１の高さが０．１ｍｍ以上であれば、該半導体ウエハＷの割れや飛び跳ねが発生しないことが判った。

次に、図４として該半導体ウエハＷの直径に対する該凸部２０の直径の占める割合を変えた場合の結果を示す。光照射条件としては、パルス幅５ｍｓ、照射エネルギー６０Ｊ／ｃｍ＾２、及び、パルス幅０．５ｍｓ、照射エネルギー５０Ｊ／ｃｍ＾２、予備加熱温度としては共に、４００℃、該半導体ウエハＷのサイズは、３インチ、１２インチの各サイズについて確認した。該凸部２０の高さは０．１ｍｍから４ｍｍまで変え、各高さにおいて、該半導体ウエハＷの直径に対する該凸部２０の直径の占める割合を変えて実験した。

図４−ａ）には、光の照射条件が、パルス幅５ｍｓ、照射エネルギー６５Ｊ／ｃｍ＾２の場合を示す。該半導体ウエハＷが３インチの時、該凸部２０の高さが０．１ｍｍから４ｍｍまで全て、該半導体ウエハＷの直径に対する該凸部２０の直径の占める割合が７０％から９２％の範囲で、該半導体ウエハＷの割れや飛び跳ねは発生しなかった。更に、該半導体ウエハＷが１２インチの時でも、該凸部２０の高さが０．１ｍｍから１ｍｍまで全て、該半導体ウエハＷの直径に対する該凸部２０の直径の占める割合が７０％から９２％の範囲で、該半導体ウエハＷの割れや飛び跳ねは発生しなかった。尚、同図において、×印は、該半導体ウエハＷが割れたことを表し、×（跳ね）の記載は、該半導体ウエハＷが飛び跳ねた場合を示している。

図４−ｂ）には、光の照射条件が、パルス幅０．５ｍｓ、照射エネルギー５０Ｊ／ｃｍ＾２の場合を示す。該半導体ウエハＷが３インチの時、該凸部２０の高さが０．１ｍｍから４ｍｍまで全て、該半導体ウエハＷの直径に対する該凸部２０の直径の占める割合が７０％から９２％の範囲で、該半導体ウエハＷの割れや飛び跳ねは発生しなかった。更に、該半導体ウエハＷが１２インチの時でも、該凸部２０の高さが０．１ｍｍから１ｍｍまで全て、該半導体ウエハＷの直径に対する該凸部２０の直径の占める割合が７０％から９２％の範囲で、該半導体ウエハＷの割れや飛び跳ねは発生しなかった。

以上の結果より、該半導体ウエハＷの直径や、光の照射条件に係らず、該凸部２０の高さが０．１ｍｍ以上では、該半導体ウエハＷの直径に対する該凸部２０の直径の占める割合が７０％から９２％であれば、該半導体ウエハＷの割れや飛び跳ねは発生しなかいことが判る。

尚、図４においては、該半導体ウエハＷのサイズが１２インチの場合、予備加熱時に、該支持用台１０と該半導体ウエハＷとの距離が大きくなると、該半導体ウエハＷを均一に加熱することができなかった。この傾向は、特に該半導体ウエハＷの端部で顕著である。そこで、図５に示すように、予備加熱用ヒーター３０の配置において、該凸部２０の直径よりやや小さな部分を低温部３０ａ、その外周部を高温部３０ｂとなるように配置して、該半導体ウエハＷの端部を選択的に加熱することで、該半導体ウエハＷを均一に加熱した。図５−ａ）は、該支持用台１０をフラッシュランプの配置された光源部側から見た正面図である。該凸部２０の直径よりやや小さい部分に配置されたヒーター用ランプ３２によって低温部３０ａが構成されている。また、該低温部３０ａの外周部に高温部３０ｂが設けられ、該高温部３０ｂには、ヒーター用ランプ３３が配置されている。図５−ｂ）は、図５−ａ）における該支持用台１０の中心を通る一点鎖線で切断したＡ−Ａ断面を示したものである。該凸部２０の直径よりやや小さい部分に低温部３０ａが配置され、その外周部に高温部３０ｂが配置されている。該高温部３０ｂは、該半導体ウエハＷの直径より大きい部分にまでヒーター用ランプ３３を配置されている。これにより、該半導体ウエハＷの端部が該凸部端部２０ａよりも外周側に配置されていても、該半導体ウエハＷを予備加熱する場合に均一に加熱できる、といった利点がある。尚、該予備加熱用ヒーター３０は該ヒーター用ランプ３２、３３を変えるのでは無く、該ヒーター用ランプ３２、３３の仕様を変えるのでは無く、電気的に制御することによって高温部３０ｂと低温部３０ａを作ることもできる。

この発明における半導体ウエハ急速加熱装置の概略断面図。この発明における半導体ウエハ急速加熱装置の支持用台形状を示す図。この発明の構成における実験結果を示す図。この発明の構成における実験結果を示す図この発明における支持用台に配置された予備加熱用ヒーターの配置を示す図。従来の半導体ウエハ急速加熱装置の概略断面図。

符号の説明

１半導体ウエハ急速加熱装置
２光源部
３加熱処理チャンバ部
４予備加熱機構部
５フラッシュランプ
６反射ミラー
７光透過性窓部
８半導体ウエハ出入口
９雰囲気ガス導入口
１０支持用台
Ｗ半導体ウエハ
Ｗ１半導体ウエハ端部
１１窓部
１２伝熱部
１３ハロゲンランプ
１４反射板
２０凸部
２０ａ凸部端部
２１凸部
２１ａ凸部端部
３０予備加熱用ヒーター
３０ａ低温部
３０ｂ高温部
３２ヒーター用ランプ
３３ヒーター用ランプ
４１光加熱装置
４２Ａ雰囲気ガス導入口
４２Ｂ排出口
４４チャンバー
４５支持用台
４６平板
４７透光部材
４８フラッシュランプ
４９ハロゲンヒータランプ
５０チャンバー制御回路
５１反射鏡
５２ケーシング
５３給電装置

Claims

フラッシュランプと該フラッシュランプから放射される光を被加熱物側に反射する反射板とからなる光源部、半導体ウエハを支持する支持用台を配置した加熱処理チャンバ、を具備し、該フラッシュランプの光によって半導体ウエハを急速加熱処理する半導体ウエハ急速加熱装置において、
前記支持用台は、円筒状、または円柱状に突出する凸部が設けられ、該凸部の直径が該半導体ウエハの直径より小さく、該支持用台下方、または、該支持用台内部に、予備加熱用ヒーターが配置されており、該予備加熱用ヒーターには、高温部と低温部が設けられ、該低温部は該支持用台の該凸部の直径より径の小さい部分に配置され、その外周に高温部が配置されていることを特徴とする半導体ウエハ急速加熱装置。
前記支持用台は、該支持用台上に配置する該半導体ウエハの直径に対する該凸部の直径の比が、７０％乃至９２％であることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウエハ急速加熱装置。