JP4953497B2 - 基板の熱処理 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板を熱処理するためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板処理システムは、半導体ロジックデバイスやメモリデバイス、フラットパネルディスプレイ、ＣＤ ＲＯＭその他のデバイスの製造に用いられる。これらの基板は処理に際して、化学気相堆積（ＣＶＤ）や高速熱プロセス（ＲＴＰ）がなされることがある。ＲＴＰプロセスには、例えば高速熱アニール（RTA）、高速熱クリーニング（RTC）、高速熱CVD（RTCVD）、高速熱酸化（RTO）や高速熱窒化（RTN））が含まれる。ＲＴＰシステムは通常、光透過性のウィンドウを通して放射により基板を加熱する一つ以上のランプにより形成される加熱要素を有している。ＲＴＰシステムはまた、基板の裏側に対面する光反射面等の、一つ以上の他の光学素子と、処理中に基板の温度を測定するための一つ以上の光検出部を有していてもよい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
多くの高速の熱プロセスでは、経時的に正確な基板温度制御を行う必要がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板の温度応答を、加熱段階又は冷却段階、あるいはこれら両方において制御できる熱処理方法を特徴とする。これにより、基板の熱予算を減らし、また、基板上に形成されるデバイスの品質及び性能を改良する。特に本発明者は、熱プロセス中に基板と熱貯蔵器（例えば水冷式の反射板組立体）の間の熱移動速度を制御することにより、基板の温度応答を制御することができる事を認識した。
【０００５】
１つの側面では、基板は加熱スケジュールに従って加熱され、加熱スケジュール中は、熱処理システムの内側の基板と熱貯蔵器の間の熱移動速度が変化する。
【０００６】
本発明の実施には、以下の特徴の１つ以上が含まれてもよい。熱移動速度を変化するには、基板と熱貯蔵器の間の熱伝導率を変えることにより、また、熱貯蔵器の表面の放射率を変えることにより、あるいは基板と熱貯蔵器の間の距離を変えることにより、行ってもよい。熱伝導率を変えるには、基板と熱貯蔵器の間に配置される熱移動媒体（例えばパージガス）の特性を変えることにより行ってもよい。例えば、熱伝導率の変化は、基板と熱貯蔵器の間のパージガスの組成又はパージガスの圧力を変えることにより行ってもよい。熱貯蔵器は、比較的低温の面を処理チャンバの内側に有していてもよい。基板とこの比較的低温の面の間の熱伝導率は、加熱スケジュールの冷却段階中に増大されてもよい。基板と比較的低温の面の間に、比較的高い熱伝導率のガスを供給することにより、熱伝導率を増大してもよい。第１のパージガス（例えば窒素、アルゴンやキセノン）が、加熱スケジュールの加熱段階中に基板と比較的低温面の間に供給されてもよく、また、第１のパージガスの熱伝導率より大きな熱伝導率を有する第２のパージガス（例えばヘリウムや水素）が、加熱スケジュールの冷却段階中に、基板と比較的低温の面の間に供給されてもよい。
【０００７】
本発明の他の側面では、第１のパージガスが熱処理システムに供給され、基板が加熱スケジュールに従って加熱され、第１のパージガスとは異なる第２のパージガスが熱処理システムに供給される。
【０００８】
本発明の実施には、以下の特徴の１つ以上を有してもよい。加熱スケジュールの冷却段階中、基板温度が標的ピーク温度に加熱された時点又はその近く、あるいは基板温度の低下中に、第２のパージガスが熱処理システムに供給されてもよい。第１のパージガスが、加熱スケジュールの加熱段階中に、熱処理システムに供給されてもよい。第２のパージガスの熱伝導率が、第１のパージガスの熱伝導率より大きくてもよい。これを実施する場合、第２のパージガスがヘリウム又は水素あるいはその両方を有してもよく、また、第１のパージガスが窒素を有してもよく且つ第２のパージガスがヘリウムを有してもよい。第２のパージガスが、熱処理システムの内側の基板面と熱貯蔵器の間に供給されてもよい。加熱スケジュールの加熱段階中に、第１のパージガスが、熱処理システムの基板面と熱貯蔵器の間に供給されてもよい。加熱スケジュールの冷却段階中に、第２のパージガスが、熱処理システムの基板面と熱貯蔵器の間に供給されてもよい。
【０００９】
本発明の別の側面では、第１のパージガスが熱処理システムに供給され、基板がターゲット温度に加熱され、基板がターゲット温度に加熱された時点又はその近くで第１のパージガスの熱伝導率より大きい熱伝導率を有する第２のパージガスが熱処理システムに供給される。
【００１０】
本発明の実施は、以下の特徴の１つ以上を有してもよい。第２のパージガスがヘリウムを有してもよく、第１のパージガスが窒素を有してもよい。基板がターゲット温度に加熱された時点又はその近くで、熱プロセスシステムへの第１のパージガスの供給が終了してもよい。
【００１１】
本発明の発明の側面では、基板がターゲット温度に加熱され、基板がターゲット温度に加熱された時点又はその近くで、基板面と熱貯蔵器の間の熱伝導率を増大するパージガスが、熱処理システムに供給され、熱処理システムの内部の基板面と熱貯蔵器の間に供給される。パージガスは、パージガスが熱処理システムに供給される速度と実質的に同じ速度で熱処理システムから取り除かれる。
【００１２】
本発明の実施は、以下の特徴の１つ以上を有してもよい。パージガスは、比較的高い熱伝導率を有してもよい。パージガスは、ヘリウムを有してもよい。パージガスは、加熱スケジュールの冷却段階中に、熱処理システムに供給されてもよい。基板がターゲット温度にある時間を最小にするため、パージガスが比較的高い流量で熱処理システムに供給されてもよい。基板がターゲット温度に加熱される約１〜３秒前に、パージガスが熱処理システムに供給されてもよい。
【００１３】
本発明の更に別の側面では、第１のパージガスが熱処理システムに供給され、基板がターゲット温度に加熱される。基板はターゲット温度にある時点又はその近くで、第２のパージガスが、熱処理システムの基板面と熱貯蔵器の間に供給される。熱処理システムの内側では、第２の熱のパージガスは、第１のパージガスの熱伝導率より大きな熱伝導率を有している。第２のパージガスは、第２のパージガスが熱処理システムに供給される速度と実質的に同じ速度で、熱処理システムから取り除かれる。
【００１４】
本発明の実施は、以下の特徴の１つ以上を有してもよい。第１がパージガスは窒素を有してもよく、第２のパージガスがヘリウムを有してもよい。基板がターゲット温度に加熱された時点又はその近くで、熱処理システムへの第１のパージガスの供給が終了してもよい。基板がターゲット温度にある時間を最小にするため、第２のパージガスは、比較的高い流量で熱処理システムに供給されてもよい。基板温度を低減しつつ、第２のパージガスを熱プロセスシステムに供給してもよい。
【００１５】
本発明の利点は以下の通りである。熱処理システムの中の基板の加熱速度又は冷却速度が高い場合は、特定の熱処理方法（例えば極端に浅い接合部を形成する方法）の結果が改良される。熱が熱プロセス中に処理チャンバの内側の基板と熱貯蔵器の間の熱移動速度を変化させることによって、加熱段階又は冷却段階あるいはこれら両方の段階を、製造されるデバイスの品質を改良するために最適化してもよい。また、基板全面に対する温度均一性が改良される。
【００１６】
他の特徴及び利点は、図面及び特許請求の範囲要求を含む以下の記載から明らかなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１を参照し、基板１２を処理するためのシステム１０は、クォーツウィンドウ１８を介して水冷式加熱ランプ組立体１６により放射により加熱される処理チャンバ１４を有している。基板１２の周囲の端部は、約３００rpm(revolutions per minute)の速度で回転できる回転可能な支持構造体２０により支えられる。基板１２の下には、基板１２の有効放射率を高めるために熱貯蔵器として作用し基板１２の裏側を向く光反射面を有する反射板組立体２２がある。反射キャビティ１５が、基板１２と反射板組立体２２上面の間に形成される。８インチ（２００mm（ミリメートル））のシリコンウエハの処理用に設計されたシステムでは、反射板組立体は直径約８．９のインチであり、基板１２と反射板組立体２２上面の間の離隔距離は約５〜１０mmであり、基板１２とクォーツウィンドウ１８の間の離隔距離は約２５mmである。反射板組立体２２は水冷式のベース２３に装備され、典型的には約２３℃の温度に維持される。
【００１８】
基板１２の局所的な領域での温度は、複数の温度プローブ２４によって測定され、これらプローブは、基板の全面において半径方向に異なる位置で基板温度を測定するように配置される。温度プローブ２４は、反射板組立体２２の上面をを貫通する光ポート２５、２６及び２７を通して、処理チャンバの中から光を受け取る。処理システム１０は、合計１０本の温度プローブを有してもよく、図１には３本だけが示される。更に典型的には、２００mm基板に対して５本の温度プローブが用いられ、３００mm基板に対して７本の温度プローブが用いられる。
【００１９】
反射板面では、各光ポートは、約０．０８のインチの直径を有してもよい。サファイヤ光パイプが、光ポートによって受け取られる光を、それぞれの光検出部（例えば、パイロメーター）に供給するが、この光検出部は基板１２の局所化された領域で温度を決定するために用いられる。光検出部からの温度測定は、ランプ組立体１６を加熱する放射出力を制御するコントローラ２８によって受け取られ、その結果のフィードバックループは、基板１２を均一に加熱するための処理システムの能力を改良する。そのような制御系は米国特許第５，７５５，５１１号に説明される。
【００２０】
図１で示すように、熱プロセスの中には、処理ガス３９がガス入力口３０を通して処理チャンバ１４に供給されるものがある。処理ガスは、基板１２の上面を横切って流れて、そして例えば酸化物層又は窒化物層を形成するため、加熱された基板と反応する。過剰な処理ガスが、あらゆる揮発性の反応副生成物（基板によって放たれる酸化物等の）と同様に、ポンプシステム３４によりガス出力３２処理チャンバ１４から排出される。他の熱プロセスでは、パージガス（例えば窒素）がガス入力３０を通して熱処理チャンバ１４に供給されてもよい。パージガスは、処理チャンバ１４の中の揮発性物質汚染物質を伴出するために基板１２の上面を横切って流れる。
【００２１】
反射キャビティ１５の中で、パージ流体インジェクタ４０は、反射板組立体２２の上面を横切る実質的に層流であるパージガス４２の流れを形成する。約０．３７５インチの直径を有し反射板組立体２２の中央軸から約２インチに配置される排気口４４を通して、パージガス４２は反射キャビティ１５から取り除かれる。操作において、パージガスはパージガス入力部４６に注入され、反射板組立体２２の中の複数のチャンネル４８を通して分配される。パージガスは次いで、例えば、約０．０１インチ（０．２５mm）の距離だけ反射体組立体２２の上面より上に間隔をあけるデフレクタ５０に向けられ、実質的に層流であるパージガス４２の流れを形成する。
【００２２】
図２Ａ及び２Ｂを参照し、一具体例では、非常に浅い接合部が、次のように不純物ドープの半導体基板に形成されてもよい。基板が、熱プロセスチャンバ１４に搬入される（ステップ２００）。第１のパージガス（例えば窒素）が、ガス入力部３０を介して熱プロセスチャンバ１４に供給され、又はパージ流体インジェクタ４０出力部を介して反射キャビティ１５に供給され、あるいはこれら両方の供給が行われる（ステップ２０２）。基板は、加熱ランプ組立体１６によって、約７００℃の初期の温度に加熱される（ステップ２０４）。時間t0で、加熱ランプ組立体１６は、例えば、約１０００℃又は１１００℃のターゲットピーク温度に基板を加熱し始める（ステップ２０６）。実質的にターゲットピーク温度に対応する温度に、基板が加熱された（時間t1）後、加熱ランプ組立体１６によって供給される放射エネルギーは低減され、第２のパージガス（例えばヘリウム）が、パージ流体インジェクタ４０によって、反射キャビティ１５に供給される（ステップ２０８）。実際問題として、基板がターゲット温度に加熱されるまでに基板と反射体組立体２２の間に画される反射キャビティ１５が第２のパージガスで満たされるよう、ターゲット温度が達される直前にヘリウムパージガスが開始されてもよい。第１のパージガスが加熱段階の間、パージ流体インジェクタ４０によって供給されている場合、パージガスの供給は時間t1でまたはその近くで第１のパージガスから第２のパージガスへ切り換えられる。基板が閾値温度より低く（例えば８００℃より低く）まで冷却された後、基板は熱処理チャンバ１４から取り出される（ステップ２１０）。
【００２３】
第２のパージガスは、ターゲット温度に達する１〜３秒前に反射キャビティ１５に供給されてもよい。理想的に、ターゲット温度に達せられる約１〜２秒前に第２のパージガスの流入が開始され、あるいは、ターゲット温度に達せられる約１〜１．５秒前に、流入が開始されてもよい。実際の時間の選択は、第２のパージガスを反射キャビティに導入するために用いられるシステムに依存する（図４を見よ）。
【００２４】
第１のパージガスの流入が停止し、第１のガスが排気口４４を介して反射キャビティから排気される際、第２のパージガスが用いられる場合はこの第２のガスが、反射キャビティ１５の中の第１のパージガスを置き換える。
【００２５】
第２のパージガスが、熱プロセスのあらゆる冷却段階中に反射キャビティ１５に導入されてもよい。たとえば、別の具体例では、第２のパージガスが、熱プロセスの熱ソーク期間の後に続く冷却段階中に、反射キャビティ１５に供給されてもよい。
【００２６】
本発明者は、熱プロセス中に、処理チャンバの中の基板と熱貯蔵器の間で熱が移送される速度を変えることによって、加熱段階又は冷却段階、又はその両方の段階が、製造されるデバイスの品質を改良するために最適化されてもよいことを見出した。
【００２７】
例えば、基板冷却速度は、処理システム１０内の基板１２と熱貯蔵器（例えば水冷式の反射板組立体２２）の間に供給されるパージガス適正に選択することにより増加することができる。１つの側面では、本発明者は、比較的高い熱伝導率を有するパージガス（例えばヘリウム、水素又はこれらの組合わせ）により基板の冷却速度を増加し、それによって、特定のデバイス（例えば非常に浅い接合を有するトランジスタ）の動作特性や処理収率を改良することができることを見出した。例えば、基板冷却速度は、ヘリウムパージガスが反射キャビティ１５に供給されるときの方が、熱伝導率のより低いパージガス（例えば窒素）を用いた場合よりも実質的により大きい。時間t1とt2の間（即ち約６秒のオーダー）では、図２Ｂで示すようにヘリウムパージガスでは、基板温度が約１１００℃から約６５０℃まで冷却された一方、窒素パージガスでは、基板温度は、同じ時間で約８００℃までしか冷却されなかった。別の側面では、本発明者は、比較的低い熱伝導率を有するパージガス（例えば窒素、アルゴン、キセノン又はこれらのガスのうちの２以上の組合わせ）を反射キャビティ１５に供給して、基板１２と反射板組立体２２の間の熱の結合を減らすことにより、熱プロセスの加熱段階中（例えば時間t0とt1の間;図２Ｂ）における基板温度の増加速度を増加することができることを見出した。このように、熱プロセスの加熱段階及び冷却段階の間、基板と熱貯蔵器の間に供給されるパージガスを適正に選択することによって、全体的な熱の予算−すなわち、固定時間に対する基板温度T(t)の積分：∫T(t)・dt−を低減することができる。これにより、このような熱プロセスによって製造される特定のデバイスの品質を改良する。
【００２８】
第２のパージガス（例えばヘリウム）が反射キャビティから排気される速度（毎分当たり標準リットル（slm））が、最も有効な冷却速度のために最適化されなければならない。排気速度があまりに大きいならば、ヘリウムパージガスはあまりに速くチャンバから流れ、基板と反射板組立体の間での有効な熱の結合を妨げてしまう。他方、排気速度があまりに小さいならば、ヘリウムパージガス流動は基板の中心領域に達するにはあまりに長くかかるようになり、基板の周囲の部分がより急速に冷却されるようになる。これは、基板の中に影響を引き起こし得る大きな熱応力を発生してしまう。
【００２９】
第２のパージガスが反射キャビティに注入される速度が、おおよそこのガスが反射キャビティから排気される速度と等しいことが有利である。これが冷却操作中における基板の熱勾配を実質的に低減し、基板の中の欠陥の形成を抑制することを、本発明者は見出した。
【００３０】
また、本発明者は、冷却中の反射キャビティへの第２のパージガスの流入を、例えば、スパイクアニール操作中、できるだけ高くする方が有利であることも見出した。これにより、最大瞬間降下速度、Max dT/dt（℃/second(s)）と、基板がターゲット温度にある時間が、非常に浅い接合部の形成のために最適化されることが確保される。
【００３１】
表１に示すように、第２のパージガスの注入速度と排気速度が実質的に等しい場合に、冷却中の基板全面の温度均一性(Max・ ( ℃))が最適化される（Run F）。Max・データは、５つの異なる放射位置で基板温度を測定する５つの光検出器により生成する最高の温度読み値と最低の温度読み値の間で差を表す。理解されるように、流入するパージガスが流出するパージガスと実質的に等しい場合に、Max・は最も低くなり、従って基板全面の温度均一性が最高になる。
また、データが示す通り、第２のパージガス流動が比較的高い場合に、最大瞬間降下速度及び基板がターゲット温度にある時間（Time>1000 ℃(s)）が最適化される(Run F)。即ち、反射キャビティ内のパージガス流動が比較的高い場合、基板がターゲット温度にある時間が最小になる。
【００３２】
【表１】
【００３３】
図２Ｃは、Run AからRun Fまで視覚的に特定のデータを比較する。曲線AA及び曲線ABは、Run Aに対しての基板中心及び基板端部における光検出部の温度読み出しを表し、曲線FA及び曲線FBはRun Fに対しての基板中心及び基板端部における光検出部の温度読み出しを表す。曲線AC及び曲線FCはそれぞれRun A及びRunFに対する基板全面の温度均一性(Max ・)を示す。理解されるように、第２のパージガスの流入が第２のパージガスの流出と実質的に等しい場合に、温度均一性が最適化される。
【００３４】
図３Ａ及び３Bを参照して、パージ反射体４０の一具体例では、反射板組立体２２は、デフレクタリング５２と、頂部反射板５４と、底部反射板５６を有する。底部反射板５６は、入力４６からパージガスを受け取るため及びパージガスを垂直流路６０に供給するために水平流路５８を有し、これは頂部反射板５４の中の複数の水平流路４８と連通する。水平流路４８は、頂部反射板５４の周囲の異なる位置にパージガスを散布する。デフレクタリング５２は、周辺壁６２を有し、この周辺壁は、底部反射板５６の下側周辺端部６４の上に配置され、頂部反射板５４の周囲の壁と共に、幅０．０２７５インチの垂直チャンネルを画し、この垂直チャンネルは、パージガス流動をデフレクタ５０に向け、反射板５４の上面を横切るパージガスの実質的層流を形成する。パージガス及びあらゆる伴出される揮発性汚染物質が、排気口４４を通して処理チャンバから取り除かれる。底部反射板５６の中の水平流路６６は、排気口４４から排気されたガスを受け取り、ポンプシステムに接続するライン６８へ排気ガスを向ける。チャンネル４８、５８及び６０のそれぞれは、約０．２５インチｘ約０．１インチの断面のフロー領域を有してもよい。
【００３５】
図３Ｃを参照して、パージガスは約７５°の円周弧に沿って、頂部反射板５４の上面で反射キャビティ１５に導入されてもよい。得られたパージガス４２の実質的層流は７５°のセクタ７０に対応する頂部反射板５４の上面の領域の上に延び、このセクタは、頂部反射板５４の１０個の光ポートのうちの９個を有する（光ポート２５、２６及び２７を含む）。上で説明される具体例の中に、高い熱伝導率のパージガス４２（例えばヘリウムまたは水素）により、高速熱プロセスの冷却段階中（例えば、時間t1とt2の間;図２B）の基板１２と反射体組立体２２の間の熱伝導率を増加する。
【００３６】
パージガス及び処理ガスの流量は、図４に示される流体制御システムによって制御される。質量流量コントローラ８０が、ガス入力３０を通して処理チャンバ１４にガスのフローを調整するために用いられ、圧力トランスデューサ８２及び圧力制御弁８４が、ガスがガス出力３２を通して処理チャンバ１４から取り除かれる速度を調整するために用いられる。フィルタ８６に接続する入力部４６を通して、パージガスが反射キャビティ１５に導入される。質量流量コントローラ８８は、パージガスインジェクタ４０を通して反射キャビティ１５へのパージガスの流量を調整するために用いられる。調整可能なフロー絞り弁９０及び質量流量コントローラ９２は、パージガスが反射キャビティ１５から取り除かれる速度を調整するために用いられる。基板１２の上方の反射キャビティ１５の処理領域へのパージガスの移入を減らすため、パージガスが反射キャビティ１５に導入される速度が、反射キャビティ１５からのガス除去速度と実質的に同じになるまで、フロー絞り弁９０が調整される。ソレノイド閉止弁９４及び９６は、反射キャビティ１５を通したパージガスの流れに対して追加的な制御を提供する。８インチの（２００mm）シリコンウエハを処理するために設計されるシステムでは、パージガスは、反射キャビティ１５の中で流量約９〜２０ slm (standard liters per minute)で流れることができるが、パージガス流量は、反射キャビティ１５の内側の圧力及びポンプシステム３４の輸送能力によって変化されるだろう。反射キャビティ１５及び処理チャンバ１４の内側の圧力は、約８５０トールであってもよい。
【００３７】
パージガスは、様々な異なる手段で反射キャビティ１５に供給されてもよい。
【００３８】
図５を参照し、一具体例では、反射板組立体１００が頂部反射板１０４の全周のまわりの異なる位置からパージガス１０２を導入するようにできている点を除いて、反射板組立体１００は、反射板組立体２２と構造的に類似している。頂部反射板１０４の中に延びる排気口１０６を通して、パージガス１０２が取り除かれる。パージガス１０２は、反射板１０２の中心から約４．３３インチの位置に導入されてもよく、排気口１０６は、反射板１０２の中心から約２インチに配置されてもよい。光ポート１０８が反射板１０２の全体の表面の上に分配される場合に、この具体例を用いてもよい。
【００３９】
図６Ａ及び６Ｂを参照し、別の具体例では、反射板組立体１１０が偏向板１１２及び頂部反射板１１４を有する点と、これらは光ポート１２４及び１２６を囲んでいる周囲の領域１１６〜１２２にパージガスの実質的層流を生成するためにフローチャンネルを一緒に画するという点を除いて、反射板組立体１１０は反射板組立体２２と構造的に類似する。パージガスは、頂部反射板１１４の中の垂直環状チャンネル１２８、１２９の中を流れる。パージガスは、頂部反射板１１４を通して延びる排気口（図示されず）を通して排気されてもよく、あるいはパージガスは、反射板組立体１１０の周囲端部にわたって排気されてもよい。この具体例では、偏向板１１２の上面は、基板の裏側に面する主光反射面として機能してもよい。偏向板１１２は、０．０１インチ（０．２５mm）の距離だけ、頂部反射板１１４の上方に間隔をあけてもよい。
【００４０】
図７Ａ及び７Ｂを参照すれば、別の具体例では、反射板組立体１３０は、パージガスのフローを受けるための垂直チャネル１３２と、反射板１４０を通して延びる光ポート１３８を横切る方形のカーテンとしての、パージガス１３６のフローを偏向させるためのスロット形のデフレクタ１３４とを、有する。スロット形の排気口１４２が、パージガス１３６を取り除くために用いられる。デフレクタ１３４は、約０．０１インチ（０．２５mm）の距離だけ、反射板１４０の上面の上方に間隔をあけていてもよい。
【００４１】
図８Ａ及び８Ｂに示すように、別の具体例の中では、反射板組立体１５０は、複数のオリフィス１５２、１５４、１５６を有していてもよく、これらは共通のガスプレナム１５８に結合され、そしてこれは、パージガス入力部１６０に結合される。オリフィス１５２〜１５６は、基板１２と反射板組立体１５０の間に画される反射体キャビティにパージガスを導入するように配置される。また、オリフィス１５２〜１５６は、基板１２によって発される光を温度プローブ２４が受けるための光ポート２５〜２７の位置を適応させるように配置される。操作中は、パージガスが約９〜２０slmの流量で反射体キャビティに流れるが、一般に流量は、基板１２が支持構造物２０から持ち上がるために要する速度より低くなければならない。パージガスは、排気口１６４を通してポンプシステム１６２によって反射体キャビティから取り除かれる。
【００４２】
更に他のパージガス送出しシステムを用いてもよい。例えば、１９９９年４月７日に出願の米国特許出願番号第０９／２８７９４７号、標題"Apparatus and Methods for Thermally Processing a Substrate"に記載される回転気体送出しシステムによって供給されてもよい。
【００４３】
他の具体例は、「特許請求の範囲」の範囲内にある。
【００４４】
例えば、上述の具体例では単一の比較的低温の熱貯蔵器（例えば反射板組立体２２）に関して説明されたが、他の熱貯蔵器構成も可能である。熱貯蔵器は、熱処理システム１０の中の異なる位置に置かれてもよい。また、２つ以上の独立の熱貯蔵器を提供してもよい。熱貯蔵器は比較的高温の面を有してもよく、また異なるパージガスを反射キャビティ１５に供給してもよく、この反射キャビティは基板の温度応答を制御するために熱貯蔵器と基板の間に画される。具体例によっては、基板の温度応答を改良するために熱プロセス中に熱貯蔵器の温度を変えてもよい。
【００４５】
別の具体例では、処理システム１０の内側の熱貯蔵器と基板の間の熱移動速度は、熱プロセス中に熱貯蔵器の放射率を変えることによって最適化されてもよい。例えば、反射板組立体２２の上面は、電子クロムコーティングを有してもよく、このコーティングの反射率は、被覆に印加される電圧を変えることによって選択的に変えることができる。操作中は、反射プレート組立体２２の反射率は熱プロセスの加熱段階の間最大にされてもよく、反射率は冷却段階の間最小にされてもよい。このように、基板と反射板組立体２２の間の熱移動速度は、加熱段階の間低減されてもよく、冷却段階の間増加してもよい。
【００４６】
また別の具体例では、処理システム１０の内側の基板と熱貯蔵器の間の熱移動速度は、熱貯蔵器から基板を隔てる距離を変えることによって最適化してもよい。例えば、支持構造体２０は、反射板組立体２２の上面に対して上下に運動するような構成を有していてもよい。一具体例では、操作中において、支持構造体２０は、熱プロセスの加熱段階中に反射板組立体２２から比較的遠い距離に基板を配置してもよく、また支持構造体２０は、熱プロセスの冷却段階中に反射板組立体２２から比較的近い距離に基板を置いてもよい。このように、基板と反射板組立体２２の間の熱伝導率を、熱プロセスの加熱段階中に低減し冷却段階中に増加することにより、基板上に形成されるデバイスの品質を改良することができる。
【００４７】
別の具体例では、処理システム１０の内側の基板と熱貯蔵器の間の熱移動速度は、熱プロセス中に基板と熱貯蔵器の間のパージガスの圧力を変えることにより最適化されてもよい。例えば、熱プロセスの加熱段階の間パージガスの圧力が準大気圧の圧力に減らされて（例えば１〜５トール）もよく、あるいは熱プロセスの冷却段階の間圧力が大気圧（７７０トール）に増加されてもよい。パージガスの組成を熱プロセス中に変えてもよい。例えば、加熱段階中のパージガスは窒素から成っていてもよく、冷却段階中のパージガスはヘリウムから成っていてもよい。
【００４８】
高速熱処理の間に基板の温度応答を制御するためのシステム及び方法が開示された。本発明は、特定のデバイス（例えば非常に浅い接合型トランジスタ）が、改良された物理的な性能及び改良された動作特性を有するように形成されるのを可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、反射板組立体及び流体インジェクタを含む熱処理システムの部分の側面図である。
【図２】図２Ａは、基板処理の方法のフローチャートであり、図２Ｂは、ヘリウムパージガスを用いるスパイクアニール熱プロセス中及び窒素パージガスを用いるスパイクアニール熱プロセス中の、経時的な基板温度のプロットであり、図２Ｃは、最適化された冷却プロセスについての基板温度の均一性を例示するグラフ表示である。
【図３】図３Ａ及び３Ｂは、図１に示される反射板組立体及び流体インジェクタの分解図であり、図３Ｃは、図１の反射板組立体及び流体インジェクタの平面図であり、底部反射板の性能が一点鎖線を用いて示される。
【図４】図４は、図１の基板処理システムのパージガス制御系の線図である。
【図５】図５は、代替の流体インジェクタの平面図である。
【図６】図６Ａは、代替の流体インジェクタの部分の側面図、６Ｂは上面図である。
【図７】図７Ａは、代替の流体インジェクタの部分の側面図、７Ｂは上面図である。
【図８】図８Ａは、他の流体インジェクタの側面図、８Ｂは上面図である。
【符号の説明】
１０…システム、１２…基板、１６…加熱ランプ組立体、１８…クォーツウィンドウ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板を熱処理するためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板処理システムは、半導体ロジックデバイスやメモリデバイス、フラットパネルディスプレイ、ＣＤ ＲＯＭその他のデバイスの製造に用いられる。これらの基板は処理に際して、化学気相堆積（ＣＶＤ）や高速熱プロセス（ＲＴＰ）がなされることがある。ＲＴＰプロセスには、例えば高速熱アニール（RTA）、高速熱クリーニング（RTC）、高速熱CVD（RTCVD）、高速熱酸化（RTO）や高速熱窒化（RTN））が含まれる。ＲＴＰシステムは通常、光透過性のウィンドウを通して放射により基板を加熱する一つ以上のランプにより形成される加熱要素を有している。ＲＴＰシステムはまた、基板の裏側に対面する光反射面等の、一つ以上の他の光学素子と、処理中に基板の温度を測定するための一つ以上の光検出部を有していてもよい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
多くの高速の熱プロセスでは、経時的に正確な基板温度制御を行う必要がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板の温度応答を、加熱段階又は冷却段階、あるいはこれら両方において制御できる熱処理方法を特徴とする。これにより、基板の熱予算を減らし、また、基板上に形成されるデバイスの品質及び性能を改良する。特に本発明者は、熱プロセス中に基板と熱貯蔵器（例えば水冷式の反射板組立体）の間の熱移動速度を制御することにより、基板の温度応答を制御することができる事を認識した。
【０００５】
１つの側面では、基板は加熱スケジュールに従って加熱され、加熱スケジュール中は、熱処理システムの内側の基板と熱貯蔵器の間の熱移動速度が変化する。
【０００６】
本発明の実施には、以下の特徴の１つ以上が含まれてもよい。熱移動速度を変化するには、基板と熱貯蔵器の間の熱伝導率を変えることにより、また、熱貯蔵器の表面の放射率を変えることにより、あるいは基板と熱貯蔵器の間の距離を変えることにより、行ってもよい。熱伝導率を変えるには、基板と熱貯蔵器の間に配置される熱移動媒体（例えばパージガス）の特性を変えることにより行ってもよい。例えば、熱伝導率の変化は、基板と熱貯蔵器の間のパージガスの組成又はパージガスの圧力を変えることにより行ってもよい。熱貯蔵器は、比較的低温の面を処理チャンバの内側に有していてもよい。基板とこの比較的低温の面の間の熱伝導率は、加熱スケジュールの冷却段階中に増大されてもよい。基板と比較的低温の面の間に、比較的高い熱伝導率のガスを供給することにより、熱伝導率を増大してもよい。第１のパージガス（例えば窒素、アルゴンやキセノン）が、加熱スケジュールの加熱段階中に基板と比較的低温面の間に供給されてもよく、また、第１のパージガスの熱伝導率より大きな熱伝導率を有する第２のパージガス（例えばヘリウムや水素）が、加熱スケジュールの冷却段階中に、基板と比較的低温の面の間に供給されてもよい。
【０００７】
本発明の他の側面では、第１のパージガスが熱処理システムに供給され、基板が加熱スケジュールに従って加熱され、第１のパージガスとは異なる第２のパージガスが熱処理システムに供給される。
【０００８】
本発明の実施には、以下の特徴の１つ以上を有してもよい。加熱スケジュールの冷却段階中、基板温度が標的ピーク温度に加熱された時点又はその近く、あるいは基板温度の低下中に、第２のパージガスが熱処理システムに供給されてもよい。第１のパージガスが、加熱スケジュールの加熱段階中に、熱処理システムに供給されてもよい。第２のパージガスの熱伝導率が、第１のパージガスの熱伝導率より大きくてもよい。これを実施する場合、第２のパージガスがヘリウム又は水素あるいはその両方を有してもよく、また、第１のパージガスが窒素を有してもよく且つ第２のパージガスがヘリウムを有してもよい。第２のパージガスが、熱処理システムの内側の基板面と熱貯蔵器の間に供給されてもよい。加熱スケジュールの加熱段階中に、第１のパージガスが、熱処理システムの基板面と熱貯蔵器の間に供給されてもよい。加熱スケジュールの冷却段階中に、第２のパージガスが、熱処理システムの基板面と熱貯蔵器の間に供給されてもよい。
【０００９】
本発明の別の側面では、第１のパージガスが熱処理システムに供給され、基板がターゲット温度に加熱され、基板がターゲット温度に加熱された時点又はその近くで第１のパージガスの熱伝導率より大きい熱伝導率を有する第２のパージガスが熱処理システムに供給される。
【００１０】
本発明の実施は、以下の特徴の１つ以上を有してもよい。第２のパージガスがヘリウムを有してもよく、第１のパージガスが窒素を有してもよい。基板がターゲット温度に加熱された時点又はその近くで、熱プロセスシステムへの第１のパージガスの供給が終了してもよい。
【００１１】
本発明の発明の側面では、基板がターゲット温度に加熱され、基板がターゲット温度に加熱された時点又はその近くで、基板面と熱貯蔵器の間の熱伝導率を増大するパージガスが、熱処理システムに供給され、熱処理システムの内部の基板面と熱貯蔵器の間に供給される。パージガスは、パージガスが熱処理システムに供給される速度と実質的に同じ速度で熱処理システムから取り除かれる。
【００１２】
本発明の実施は、以下の特徴の１つ以上を有してもよい。パージガスは、比較的高い熱伝導率を有してもよい。パージガスは、ヘリウムを有してもよい。パージガスは、加熱スケジュールの冷却段階中に、熱処理システムに供給されてもよい。基板がターゲット温度にある時間を最小にするため、パージガスが比較的高い流量で熱処理システムに供給されてもよい。基板がターゲット温度に加熱される約１〜３秒前に、パージガスが熱処理システムに供給されてもよい。
【００１３】
本発明の更に別の側面では、第１のパージガスが熱処理システムに供給され、基板がターゲット温度に加熱される。基板はターゲット温度にある時点又はその近くで、第２のパージガスが、熱処理システムの基板面と熱貯蔵器の間に供給される。熱処理システムの内側では、第２の熱のパージガスは、第１のパージガスの熱伝導率より大きな熱伝導率を有している。第２のパージガスは、第２のパージガスが熱処理システムに供給される速度と実質的に同じ速度で、熱処理システムから取り除かれる。
【００１４】
本発明の実施は、以下の特徴の１つ以上を有してもよい。第１がパージガスは窒素を有してもよく、第２のパージガスがヘリウムを有してもよい。基板がターゲット温度に加熱された時点又はその近くで、熱処理システムへの第１のパージガスの供給が終了してもよい。基板がターゲット温度にある時間を最小にするため、第２のパージガスは、比較的高い流量で熱処理システムに供給されてもよい。基板温度を低減しつつ、第２のパージガスを熱プロセスシステムに供給してもよい。
【００１５】
本発明の利点は以下の通りである。熱処理システムの中の基板の加熱速度又は冷却速度が高い場合は、特定の熱処理方法（例えば極端に浅い接合部を形成する方法）の結果が改良される。熱が熱プロセス中に処理チャンバの内側の基板と熱貯蔵器の間の熱移動速度を変化させることによって、加熱段階又は冷却段階あるいはこれら両方の段階を、製造されるデバイスの品質を改良するために最適化してもよい。また、基板全面に対する温度均一性が改良される。
【００１６】
他の特徴及び利点は、図面及び特許請求の範囲要求を含む以下の記載から明らかなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１を参照し、基板１２を処理するためのシステム１０は、クォーツウィンドウ１８を介して水冷式加熱ランプ組立体１６により放射により加熱される処理チャンバ１４を有している。基板１２の周囲の端部は、約３００rpm(revolutions per minute)の速度で回転できる回転可能な支持構造体２０により支えられる。基板１２の下には、基板１２の有効放射率を高めるために熱貯蔵器として作用し基板１２の裏側を向く光反射面を有する反射板組立体２２がある。反射キャビティ１５が、基板１２と反射板組立体２２上面の間に形成される。８インチ（２００mm（ミリメートル））のシリコンウエハの処理用に設計されたシステムでは、反射板組立体は直径約８．９のインチであり、基板１２と反射板組立体２２上面の間の離隔距離は約５〜１０mmであり、基板１２とクォーツウィンドウ１８の間の離隔距離は約２５mmである。反射板組立体２２は水冷式のベース２３に装備され、典型的には約２３℃の温度に維持される。
【００１８】
基板１２の局所的な領域での温度は、複数の温度プローブ２４によって測定され、これらプローブは、基板の全面において半径方向に異なる位置で基板温度を測定するように配置される。温度プローブ２４は、反射板組立体２２の上面をを貫通する光ポート２５、２６及び２７を通して、処理チャンバの中から光を受け取る。処理システム１０は、合計１０本の温度プローブを有してもよく、図１には３本だけが示される。更に典型的には、２００mm基板に対して５本の温度プローブが用いられ、３００mm基板に対して７本の温度プローブが用いられる。
【００１９】
反射板面では、各光ポートは、約０．０８のインチの直径を有してもよい。サファイヤ光パイプが、光ポートによって受け取られる光を、それぞれの光検出部（例えば、パイロメーター）に供給するが、この光検出部は基板１２の局所化された領域で温度を決定するために用いられる。光検出部からの温度測定は、ランプ組立体１６を加熱する放射出力を制御するコントローラ２８によって受け取られ、その結果のフィードバックループは、基板１２を均一に加熱するための処理システムの能力を改良する。そのような制御系は米国特許第５，７５５，５１１号に説明される。
【００２０】
図１で示すように、熱プロセスの中には、処理ガス３９がガス入力口３０を通して処理チャンバ１４に供給されるものがある。処理ガスは、基板１２の上面を横切って流れて、そして例えば酸化物層又は窒化物層を形成するため、加熱された基板と反応する。過剰な処理ガスが、あらゆる揮発性の反応副生成物（基板によって放たれる酸化物等の）と同様に、ポンプシステム３４によりガス出力３２処理チャンバ１４から排出される。他の熱プロセスでは、パージガス（例えば窒素）がガス入力３０を通して熱処理チャンバ１４に供給されてもよい。パージガスは、処理チャンバ１４の中の揮発性物質汚染物質を伴出するために基板１２の上面を横切って流れる。
【００２１】
反射キャビティ１５の中で、パージ流体インジェクタ４０は、反射板組立体２２の上面を横切る実質的に層流であるパージガス４２の流れを形成する。約０．３７５インチの直径を有し反射板組立体２２の中央軸から約２インチに配置される排気口４４を通して、パージガス４２は反射キャビティ１５から取り除かれる。操作において、パージガスはパージガス入力部４６に注入され、反射板組立体２２の中の複数のチャンネル４８を通して分配される。パージガスは次いで、例えば、約０．０１インチ（０．２５mm）の距離だけ反射体組立体２２の上面より上に間隔をあけるデフレクタ５０に向けられ、実質的に層流であるパージガス４２の流れを形成する。
【００２２】
図２Ａ及び２Ｂを参照し、一具体例では、非常に浅い接合部が、次のように不純物ドープの半導体基板に形成されてもよい。基板が、熱プロセスチャンバ１４に搬入される（ステップ２００）。第１のパージガス（例えば窒素）が、ガス入力部３０を介して熱プロセスチャンバ１４に供給され、又はパージ流体インジェクタ４０出力部を介して反射キャビティ１５に供給され、あるいはこれら両方の供給が行われる（ステップ２０２）。基板は、加熱ランプ組立体１６によって、約７００℃の初期の温度に加熱される（ステップ２０４）。時間t0で、加熱ランプ組立体１６は、例えば、約１０００℃又は１１００℃のターゲットピーク温度に基板を加熱し始める（ステップ２０６）。実質的にターゲットピーク温度に対応する温度に、基板が加熱された（時間t1）後、加熱ランプ組立体１６によって供給される放射エネルギーは低減され、第２のパージガス（例えばヘリウム）が、パージ流体インジェクタ４０によって、反射キャビティ１５に供給される（ステップ２０８）。実際問題として、基板がターゲット温度に加熱されるまでに基板と反射体組立体２２の間に画される反射キャビティ１５が第２のパージガスで満たされるよう、ターゲット温度が達される直前にヘリウムパージガスが開始されてもよい。第１のパージガスが加熱段階の間、パージ流体インジェクタ４０によって供給されている場合、パージガスの供給は時間t1でまたはその近くで第１のパージガスから第２のパージガスへ切り換えられる。基板が閾値温度より低く（例えば８００℃より低く）まで冷却された後、基板は熱処理チャンバ１４から取り出される（ステップ２１０）。
【００２３】
第２のパージガスは、ターゲット温度に達する１〜３秒前に反射キャビティ１５に供給されてもよい。理想的に、ターゲット温度に達せられる約１〜２秒前に第２のパージガスの流入が開始され、あるいは、ターゲット温度に達せられる約１〜１．５秒前に、流入が開始されてもよい。実際の時間の選択は、第２のパージガスを反射キャビティに導入するために用いられるシステムに依存する（図４を見よ）。
【００２４】
第１のパージガスの流入が停止し、第１のガスが排気口４４を介して反射キャビティから排気される際、第２のパージガスが用いられる場合はこの第２のガスが、反射キャビティ１５の中の第１のパージガスを置き換える。
【００２５】
第２のパージガスが、熱プロセスのあらゆる冷却段階中に反射キャビティ１５に導入されてもよい。たとえば、別の具体例では、第２のパージガスが、熱プロセスの熱ソーク期間の後に続く冷却段階中に、反射キャビティ１５に供給されてもよい。
【００２６】
本発明者は、熱プロセス中に、処理チャンバの中の基板と熱貯蔵器の間で熱が移送される速度を変えることによって、加熱段階又は冷却段階、又はその両方の段階が、製造されるデバイスの品質を改良するために最適化されてもよいことを見出した。
【００２７】
例えば、基板冷却速度は、処理システム１０内の基板１２と熱貯蔵器（例えば水冷式の反射板組立体２２）の間に供給されるパージガス適正に選択することにより増加することができる。１つの側面では、本発明者は、比較的高い熱伝導率を有するパージガス（例えばヘリウム、水素又はこれらの組合わせ）により基板の冷却速度を増加し、それによって、特定のデバイス（例えば非常に浅い接合を有するトランジスタ）の動作特性や処理収率を改良することができることを見出した。例えば、基板冷却速度は、ヘリウムパージガスが反射キャビティ１５に供給されるときの方が、熱伝導率のより低いパージガス（例えば窒素）を用いた場合よりも実質的により大きい。時間t1とt2の間（即ち約６秒のオーダー）では、図２Ｂで示すようにヘリウムパージガスでは、基板温度が約１１００℃から約６５０℃まで冷却された一方、窒素パージガスでは、基板温度は、同じ時間で約８００℃までしか冷却されなかった。別の側面では、本発明者は、比較的低い熱伝導率を有するパージガス（例えば窒素、アルゴン、キセノン又はこれらのガスのうちの２以上の組合わせ）を反射キャビティ１５に供給して、基板１２と反射板組立体２２の間の熱の結合を減らすことにより、熱プロセスの加熱段階中（例えば時間t0とt1の間;図２Ｂ）における基板温度の増加速度を増加することができることを見出した。このように、熱プロセスの加熱段階及び冷却段階の間、基板と熱貯蔵器の間に供給されるパージガスを適正に選択することによって、全体的な熱の予算−すなわち、固定時間に対する基板温度T(t)の積分：∫T(t)・dt−を低減することができる。これにより、このような熱プロセスによって製造される特定のデバイスの品質を改良する。
【００２８】
第２のパージガス（例えばヘリウム）が反射キャビティから排気される速度（毎分当たり標準リットル（slm））が、最も有効な冷却速度のために最適化されなければならない。排気速度があまりに大きいならば、ヘリウムパージガスはあまりに速くチャンバから流れ、基板と反射板組立体の間での有効な熱の結合を妨げてしまう。他方、排気速度があまりに小さいならば、ヘリウムパージガス流動は基板の中心領域に達するにはあまりに長くかかるようになり、基板の周囲の部分がより急速に冷却されるようになる。これは、基板の中に影響を引き起こし得る大きな熱応力を発生してしまう。
【００２９】
第２のパージガスが反射キャビティに注入される速度が、おおよそこのガスが反射キャビティから排気される速度と等しいことが有利である。これが冷却操作中における基板の熱勾配を実質的に低減し、基板の中の欠陥の形成を抑制することを、本発明者は見出した。
【００３０】
また、本発明者は、冷却中の反射キャビティへの第２のパージガスの流入を、例えば、スパイクアニール操作中、できるだけ高くする方が有利であることも見出した。これにより、最大瞬間降下速度、Max dT/dt（℃/second(s)）と、基板がターゲット温度にある時間が、非常に浅い接合部の形成のために最適化されることが確保される。
【００３１】
表１に示すように、第２のパージガスの注入速度と排気速度が実質的に等しい場合に、冷却中の基板全面の温度均一性(Max・ ( ℃))が最適化される（Run F）。Max・データは、５つの異なる放射位置で基板温度を測定する５つの光検出器により生成する最高の温度読み値と最低の温度読み値の間で差を表す。理解されるように、流入するパージガスが流出するパージガスと実質的に等しい場合に、Max・は最も低くなり、従って基板全面の温度均一性が最高になる。
また、データが示す通り、第２のパージガス流動が比較的高い場合に、最大瞬間降下速度及び基板がターゲット温度にある時間（Time>1000 ℃(s)）が最適化される(Run F)。即ち、反射キャビティ内のパージガス流動が比較的高い場合、基板がターゲット温度にある時間が最小になる。
【００３２】
【表１】
図２Ｃは、Run AからRun Fまで視覚的に特定のデータを比較する。曲線AA及び曲線ABは、Run Aに対しての基板中心及び基板端部における光検出部の温度読み出しを表し、曲線FA及び曲線FBはRun Fに対しての基板中心及び基板端部における光検出部の温度読み出しを表す。曲線AC及び曲線FCはそれぞれRun A及びRunFに対する基板全面の温度均一性(Max ・)を示す。理解されるように、第２のパージガスの流入が第２のパージガスの流出と実質的に等しい場合に、温度均一性が最適化される。
【００３４】
図３Ａ及び３Bを参照して、パージ反射体４０の一具体例では、反射板組立体２２は、デフレクタリング５２と、頂部反射板５４と、底部反射板５６を有する。底部反射板５６は、入力４６からパージガスを受け取るため及びパージガスを垂直流路６０に供給するために水平流路５８を有し、これは頂部反射板５４の中の複数の水平流路４８と連通する。水平流路４８は、頂部反射板５４の周囲の異なる位置にパージガスを散布する。デフレクタリング５２は、周辺壁６２を有し、この周辺壁は、底部反射板５６の下側周辺端部６４の上に配置され、頂部反射板５４の周囲の壁と共に、幅０．０２７５インチの垂直チャンネルを画し、この垂直チャンネルは、パージガス流動をデフレクタ５０に向け、反射板５４の上面を横切るパージガスの実質的層流を形成する。パージガス及びあらゆる伴出される揮発性汚染物質が、排気口４４を通して処理チャンバから取り除かれる。底部反射板５６の中の水平流路６６は、排気口４４から排気されたガスを受け取り、ポンプシステムに接続するライン６８へ排気ガスを向ける。チャンネル４８、５８及び６０のそれぞれは、約０．２５インチｘ約０．１インチの断面のフロー領域を有してもよい。
【００３５】
図３Ｃを参照して、パージガスは約７５°の円周弧に沿って、頂部反射板５４の上面で反射キャビティ１５に導入されてもよい。得られたパージガス４２の実質的層流は７５°のセクタ７０に対応する頂部反射板５４の上面の領域の上に延び、このセクタは、頂部反射板５４の１０個の光ポートのうちの９個を有する（光ポート２５、２６及び２７を含む）。上で説明される具体例の中に、高い熱伝導率のパージガス４２（例えばヘリウムまたは水素）により、高速熱プロセスの冷却段階中（例えば、時間t1とt2の間;図２B）の基板１２と反射体組立体２２の間の熱伝導率を増加する。
【００３６】
パージガス及び処理ガスの流量は、図４に示される流体制御システムによって制御される。質量流量コントローラ８０が、ガス入力３０を通して処理チャンバ１４にガスのフローを調整するために用いられ、圧力トランスデューサ８２及び圧力制御弁８４が、ガスがガス出力３２を通して処理チャンバ１４から取り除かれる速度を調整するために用いられる。フィルタ８６に接続する入力部４６を通して、パージガスが反射キャビティ１５に導入される。質量流量コントローラ８８は、パージガスインジェクタ４０を通して反射キャビティ１５へのパージガスの流量を調整するために用いられる。調整可能なフロー絞り弁９０及び質量流量コントローラ９２は、パージガスが反射キャビティ１５から取り除かれる速度を調整するために用いられる。基板１２の上方の反射キャビティ１５の処理領域へのパージガスの移入を減らすため、パージガスが反射キャビティ１５に導入される速度が、反射キャビティ１５からのガス除去速度と実質的に同じになるまで、フロー絞り弁９０が調整される。ソレノイド閉止弁９４及び９６は、反射キャビティ１５を通したパージガスの流れに対して追加的な制御を提供する。８インチの（２００mm）シリコンウエハを処理するために設計されるシステムでは、パージガスは、反射キャビティ１５の中で流量約９〜２０ slm (standard liters per minute)で流れることができるが、パージガス流量は、反射キャビティ１５の内側の圧力及びポンプシステム３４の輸送能力によって変化されるだろう。反射キャビティ１５及び処理チャンバ１４の内側の圧力は、約８５０トールであってもよい。
【００３７】
パージガスは、様々な異なる手段で反射キャビティ１５に供給されてもよい。
【００３８】
図５を参照し、一具体例では、反射板組立体１００が頂部反射板１０４の全周のまわりの異なる位置からパージガス１０２を導入するようにできている点を除いて、反射板組立体１００は、反射板組立体２２と構造的に類似している。頂部反射板１０４の中に延びる排気口１０６を通して、パージガス１０２が取り除かれる。パージガス１０２は、反射板１０２の中心から約４．３３インチの位置に導入されてもよく、排気口１０６は、反射板１０２の中心から約２インチに配置されてもよい。光ポート１０８が反射板１０２の全体の表面の上に分配される場合に、この具体例を用いてもよい。
【００３９】
図６Ａ及び６Ｂを参照し、別の具体例では、反射板組立体１１０が偏向板１１２及び頂部反射板１１４を有する点と、これらは光ポート１２４及び１２６を囲んでいる周囲の領域１１６〜１２２にパージガスの実質的層流を生成するためにフローチャンネルを一緒に画するという点を除いて、反射板組立体１１０は反射板組立体２２と構造的に類似する。パージガスは、頂部反射板１１４の中の垂直環状チャンネル１２８、１２９の中を流れる。パージガスは、頂部反射板１１４を通して延びる排気口（図示されず）を通して排気されてもよく、あるいはパージガスは、反射板組立体１１０の周囲端部にわたって排気されてもよい。この具体例では、偏向板１１２の上面は、基板の裏側に面する主光反射面として機能してもよい。偏向板１１２は、０．０１インチ（０．２５mm）の距離だけ、頂部反射板１１４の上方に間隔をあけてもよい。
【００４０】
図７Ａ及び７Ｂを参照すれば、別の具体例では、反射板組立体１３０は、パージガスのフローを受けるための垂直チャネル１３２と、反射板１４０を通して延びる光ポート１３８を横切る方形のカーテンとしての、パージガス１３６のフローを偏向させるためのスロット形のデフレクタ１３４とを、有する。スロット形の排気口１４２が、パージガス１３６を取り除くために用いられる。デフレクタ１３４は、約０．０１インチ（０．２５mm）の距離だけ、反射板１４０の上面の上方に間隔をあけていてもよい。
【００４１】
図８Ａ及び８Ｂに示すように、別の具体例の中では、反射板組立体１５０は、複数のオリフィス１５２、１５４、１５６を有していてもよく、これらは共通のガスプレナム１５８に結合され、そしてこれは、パージガス入力部１６０に結合される。オリフィス１５２〜１５６は、基板１２と反射板組立体１５０の間に画される反射体キャビティにパージガスを導入するように配置される。また、オリフィス１５２〜１５６は、基板１２によって発される光を温度プローブ２４が受けるための光ポート２５〜２７の位置を適応させるように配置される。操作中は、パージガスが約９〜２０slmの流量で反射体キャビティに流れるが、一般に流量は、基板１２が支持構造物２０から持ち上がるために要する速度より低くなければならない。パージガスは、排気口１６４を通してポンプシステム１６２によって反射体キャビティから取り除かれる。
【００４２】
更に他のパージガス送出しシステムを用いてもよい。例えば、１９９９年４月７日に出願の米国特許出願番号第０９／２８７９４７号、標題"Apparatus and Methods for Thermally Processing a Substrate"に記載される回転気体送出しシステムによって供給されてもよい。
【００４３】
他の具体例は、「特許請求の範囲」の範囲内にある。
【００４４】
例えば、上述の具体例では単一の比較的低温の熱貯蔵器（例えば反射板組立体２２）に関して説明されたが、他の熱貯蔵器構成も可能である。熱貯蔵器は、熱処理システム１０の中の異なる位置に置かれてもよい。また、２つ以上の独立の熱貯蔵器を提供してもよい。熱貯蔵器は比較的高温の面を有してもよく、また異なるパージガスを反射キャビティ１５に供給してもよく、この反射キャビティは基板の温度応答を制御するために熱貯蔵器と基板の間に画される。具体例によっては、基板の温度応答を改良するために熱プロセス中に熱貯蔵器の温度を変えてもよい。
【００４５】
別の具体例では、処理システム１０の内側の熱貯蔵器と基板の間の熱移動速度は、熱プロセス中に熱貯蔵器の放射率を変えることによって最適化されてもよい。例えば、反射板組立体２２の上面は、電子クロムコーティングを有してもよく、このコーティングの反射率は、被覆に印加される電圧を変えることによって選択的に変えることができる。操作中は、反射プレート組立体２２の反射率は熱プロセスの加熱段階の間最大にされてもよく、反射率は冷却段階の間最小にされてもよい。このように、基板と反射板組立体２２の間の熱移動速度は、加熱段階の間低減されてもよく、冷却段階の間増加してもよい。
【００４６】
また別の具体例では、処理システム１０の内側の基板と熱貯蔵器の間の熱移動速度は、熱貯蔵器から基板を隔てる距離を変えることによって最適化してもよい。例えば、支持構造体２０は、反射板組立体２２の上面に対して上下に運動するような構成を有していてもよい。一具体例では、操作中において、支持構造体２０は、熱プロセスの加熱段階中に反射板組立体２２から比較的遠い距離に基板を配置してもよく、また支持構造体２０は、熱プロセスの冷却段階中に反射板組立体２２から比較的近い距離に基板を置いてもよい。このように、基板と反射板組立体２２の間の熱伝導率を、熱プロセスの加熱段階中に低減し冷却段階中に増加することにより、基板上に形成されるデバイスの品質を改良することができる。
【００４７】
別の具体例では、処理システム１０の内側の基板と熱貯蔵器の間の熱移動速度は、熱プロセス中に基板と熱貯蔵器の間のパージガスの圧力を変えることにより最適化されてもよい。例えば、熱プロセスの加熱段階の間パージガスの圧力が準大気圧の圧力に減らされて（例えば１〜５トール）もよく、あるいは熱プロセスの冷却段階の間圧力が大気圧（７７０トール）に増加されてもよい。パージガスの組成を熱プロセス中に変えてもよい。例えば、加熱段階中のパージガスは窒素から成っていてもよく、冷却段階中のパージガスはヘリウムから成っていてもよい。
【００４８】
高速熱処理の間に基板の温度応答を制御するためのシステム及び方法が開示された。本発明は、特定のデバイス（例えば非常に浅い接合型トランジスタ）が、改良された物理的な性能及び改良された動作特性を有するように形成されるのを可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、反射板組立体及び流体インジェクタを含む熱処理システムの部分の側面図である。
【図２】図２Ａは、基板処理の方法のフローチャートであり、図２Ｂは、ヘリウムパージガスを用いるスパイクアニール熱プロセス中及び窒素パージガスを用いるスパイクアニール熱プロセス中の、経時的な基板温度のプロットであり、図２Ｃは、最適化された冷却プロセスについての基板温度の均一性を例示するグラフ表示である。
【図３】図３Ａ及び３Ｂは、図１に示される反射板組立体及び流体インジェクタの分解図であり、図３Ｃは、図１の反射板組立体及び流体インジェクタの平面図であり、底部反射板の性能が一点鎖線を用いて示される。
【図４】図４は、図１の基板処理システムのパージガス制御系の線図である。
【図５】図５は、代替の流体インジェクタの平面図である。
【図６】図６Ａは、代替の流体インジェクタの部分の側面図、６Ｂは上面図である。
【図７】図７Ａは、代替の流体インジェクタの部分の側面図、７Ｂは上面図である。
【図８】図８Ａは、他の流体インジェクタの側面図、８Ｂは上面図である。
【符号の説明】
１０…システム、１２…基板、１６…加熱ランプ組立体、１８…クォーツウィンドウ。
Claims (37)
- 熱処理システムで基板を熱処理する方法であって、
加熱スケジュールに従って基板を加熱するステップと、
加熱スケジュール中に、熱処理システムの中の基板と反射板組立体の間の熱移動の速度を変えるステップと
を有する方法。 - 基板と反射板組立体の間の熱伝導率を変えることにより、熱移動速度が変えられる請求項１に記載の方法。
- 基板と反射板組立体の間に配置される熱移送媒体の特性を変えることにより、熱伝導率が変えられる請求項２に記載の方法。
- 熱移動媒体がパージガスを有し、パージガスの組成を変えることにより熱伝導率が変えられる請求項３に記載の方法。
- 熱移動媒体がパージガスを有し、基板と反射板組立体の間のパージガスの圧力を変えることにより熱伝導率が変えられる請求項３に記載の方法。
- 反射板組立体が、処理チャンバの内部に比較的低温の面を有し、基板と比較的低温の面の間の熱伝導率が、加熱スケジュールの冷却段階の間増加される請求項１に記載の方法。
- 基板と比較的低温の面の間に比較的高い熱伝導率を有するガスを供給することによって熱伝導率が増加される請求項６に記載の方法。
- 第１のパージガスが、加熱スケジュールの加熱段階の間基板と比較的低温の面の間に供給され、第２のパージガスが、加熱スケジュールの冷却段階の間基板と比較的低温の面の間に供給され、第２のパージガスが、第１のパージガスの熱伝導率より大きい熱伝導率を有する請求項６に記載の方法。
- 第１のパージガスが、窒素と、アルゴンと、キセノンから選択され、第２のパージガスが、ヘリウムと水素から選択される請求項８に記載の方法。
- 熱移動速度が、反射板組立体の表面の放射率を変えることによって変えられる請求項１に記載の方法。
- 熱移動速度が、基板と反射板組立体の間の距離を変えることにより変えられる請求項１に記載の方法。
- 熱処理システムで基板を熱処理する方法であって、
熱処理システムの基板と反射板組立体の間に、第１のパージガスを供給するステップと、
加熱スケジュールに従って基板を加熱するステップと、
基板と反射板組立体の間に供給される第１のパージガスとは異なる第２のパージガスを熱処理システムに供給するステップと
を有する方法。 - 第２のパージガスが、加熱スケジュールの冷却段階の間熱処理システムに供給される請求項１２に記載の方法。
- 基板温度が標的ピーク温度に加熱された時点又はその近傍で、第２のパージガスが熱処理システムに供給される請求項１３に記載の方法。
- 基板温度を低減しつつ、第２のパージガスが熱処理システムに供給される請求項１４に記載の方法。
- 第１のパージガスが、加熱スケジュールの加熱段階の間熱処理システムに供給される請求項１４に記載の方法。
- 第２のパージガスの熱伝導率が、第１のパージガスの熱伝導率より大きい請求項１２に記載の方法。
- 第２のパージガスが、ヘリウムもしくは水素又はこれら両方を有する請求項１７に記載の方法。
- 第１のパージガスが窒素を有し、第２のパージガスがヘリウムを有する請求項１７に記載の方法。
- 加熱スケジュールの加熱段階の間、第１のパージガスが、熱処理システムの基板面と反射板組立体の間に供給され、加熱スケジュールの冷却段階の間、第２のパージガスが、熱処理システムの基板面と反射板組立体の間に供給される請求項１２に記載の方法。
- 熱処理システムで基板を熱処理する方法であって、
熱処理システムの基板面と反射板組立体の間に第１のパージガスを供給するステップと、
ターゲット温度に基板を加熱するステップと、
基板温度がターゲット温度に加熱された時点又はその近傍で、第１のパージガスの熱伝導率より大きい熱伝導率を有する第２のパージガスを熱処理システムの基板面と反射板組立体の間に供給するステップと
を有する方法。 - 第２のパージガスがヘリウムを有する請求項２１に記載の方法。
- 第１のパージガスが窒素を有する請求項２２に記載の方法。
- 基板がターゲット温度に加熱された時点又はその近傍において、熱処理システムへの第１のパージガスの供給が終了される請求項２１に記載の方法。
- 熱処理システムで基板を熱処理する方法であって、
ターゲット温度に基板を加熱するステップと、
基板がターゲット温度に加熱された時点又はその近傍において、熱処理システム内の基板面と反射板組立体の間に、基板面と反射板組立体の間の熱伝導率を増加するパージガスを供給するステップと、
パージガスが熱処理システムに供給される速度と実質的に同じ速度で熱処理システムからパージガスを取り除くステップと
を有する方法。 - パージガスが比較的高い熱伝導率を有する請求項２５に記載の方法。
- パージガスがヘリウムを有する請求項２６に記載の方法。
- 加熱スケジュールの冷却段階の間、パージガスが熱処理システムに供給される請求項２５に記載の方法。
- 基板がターゲット温度にある時間を最小にするために、パージガスが比較的高い流量で熱処理システムに供給される請求項２５に記載の方法。
- 基板がターゲット温度に加熱される前に、パージガスが約１〜３秒間熱処理システムに供給される請求項２５に記載の方法。
- 基板がターゲット温度に加熱される前に、パージガスが約１〜２秒間熱処理システムに供給される請求項２５に記載の方法。
- 基板がターゲット温度に加熱される前に、パージガスが約１〜１．５秒間熱処理システムに供給される請求項２５に記載の方法。
- 熱処理システムで基板を熱処理する方法であって、
熱処理システムの基板面と反射板組立体の間に第１のパージガスを供給するステップと、
ターゲット温度に基板を加熱するステップと、
基板がターゲット温度に加熱された時点又はその近傍において、第１のパージガスの熱伝導率より大きい熱伝導率を有する第２のパージガスを熱処理システムの内側の基板面と反射板組立体の間に供給するステップと、
第２のパージガスが熱処理システムに供給される速度と実質的に同じ速度で熱処理システムから第２のパージガスを取り除くステップと
を有する方法。 - 第１のパージガスが窒素を有し、第２のパージガスがヘリウムを有する請求項３３に記載の方法。
- 基板がターゲット温度に加熱された時点又はその近傍において、熱処理への第１のパージガスの供給が終了される請求項３３に記載の方法。
- 基板がターゲット温度にある時間を最小にするために、比較的高い流量で第２のパージガスが熱処理システムに供給される請求項３５に記載の方法。
- 基板温度を低減しつつ、第２のパージガスが熱処理システムに供給される請求項３３に記載の方法。
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