JP5378817B2 - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等（以下、単に「基板」と称する）に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法および熱処理装置に関する。

従来より、イオン注入後の半導体ウェハーのイオン（不純物）活性化工程においては、ハロゲンランプを使用したランプアニール装置が一般的に使用されていた。このようなランプアニール装置においては、半導体ウェハーを、例えば、１０００℃ないし１１００℃程度の温度に加熱（アニール）することにより、半導体ウェハーのイオン活性化を実行している。そして、このような熱処理装置においては、ハロゲンランプより照射される光のエネルギーを利用することにより、毎秒数百度程度の速度で半導体ウェハーを昇温する構成となっている。

一方、近年、半導体デバイスの高集積化が進展し、ゲート長が短くなるにつれて接合深さも浅くすることが望まれている。しかしながら、毎秒数百度程度の速度で半導体ウェハーを昇温する上記ランプアニール装置を使用して半導体ウェハーのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウェハーに打ち込まれたボロンやリン等の不純物が熱によって深く拡散するという現象が生ずることが判明した。このような現象が発生した場合においては、接合深さが要求よりも深くなり過ぎ、良好なデバイス形成に支障が生じることが懸念される。

このため、キセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する）を使用して半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射することにより、イオンが注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリセカンド以下）に昇温させる技術が提案されている（例えば、特許文献１，２）。キセノンフラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、キセノンフラッシュランプから半導体ウェハーにフラッシュ光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリセカンド以下の極めて短時間のフラッシュ光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。このため、キセノンフラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、不純物を深く拡散させることなく、不純物活性化のみを実行することができるのである。

特開２００４−５５８２１号公報 特開２００４−８８０５２号公報

ところで、フラッシュ加熱を行う前工程でのイオン注入時に高エネルギーのイオンを打ち込んだ結果、半導体ウェハーのシリコン結晶には多数の欠陥が導入される。このような欠陥は、イオン注入層よりもやや深い位置に導入される傾向がある。フラッシュ加熱を行う際には、不純物活性化のみらず、導入された欠陥の回復をも併せて行うことが望ましい。

しかしながら、フラッシュランプの発光時間が１ミリセカンド程度の極短時間照射の場合、半導体ウェハーの表面の温度上昇速度の方がシリコンの熱伝導によって熱がウェハー内部に伝わるよりも早いため、イオン注入層の昇温は可能であるものの、欠陥が導入されている深さ位置までの昇温は困難であった。もっとも、フラッシュランプから極めて高いエネルギーの光を照射すれば、１ミリセカンド程度の極短時間照射であっても欠陥が導入されている深さ位置まで昇温することができ、欠陥の回復を行うことはできるものの、表面温度が著しく上昇して半導体ウェハーにダメージを与え、最悪の場合半導体ウェハーが割れる(Shattering)という問題が発生する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板に与えるダメージを抑制しつつ、注入された不純物の活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる熱処理装置および熱処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置において、基板を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された基板に光を照射するフラッシュランプと、前記フラッシュランプ、コンデンサおよびコイルと直列に接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子のゲートにパルスを出力して前記スイッチング素子をオンオフすることによって前記フラッシュランプへの通電を制御する通電制御手段と、を備え、前記通電制御手段は、オンオフ周期が１０マイクロ秒以上５００マイクロ秒以下であってオン時間とオフ時間とが１：１０〜１０：１の範囲内の一定比率となるパルスを前記スイッチング素子のゲートに出力し、前記フラッシュランプが発光を開始してから発光出力が最大値に到達するまでの時間が１０ミリ秒以上１００ミリ秒以下となり、前記フラッシュランプの総発光時間が２０ミリ秒以上１０００ミリ秒以下となるように前記フラッシュランプへの通電を制御することを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理装置において、前記通電制御手段が出力するパルスのオン時間とオフ時間との比率は１０：１３〜１３：１０の範囲内であることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る熱処理装置において、前記コイルは、インダクタンスを調整可能な可変コイルであることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記スイッチング素子は絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、フラッシュランプから基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法において、前記フラッシュランプ、コンデンサおよびコイルと直列に接続されたスイッチング素子のゲートに、オンオフ周期が１０マイクロ秒以上５００マイクロ秒以下であってオン時間とオフ時間とが１：１０〜１０：１の範囲内の一定比率となるパルスを出力し、前記フラッシュランプが発光を開始してから発光出力が最大値に到達するまでの時間を１０ミリ秒以上１００ミリ秒以下にするとともに、前記フラッシュランプの総発光時間を２０ミリ秒以上１０００ミリ秒以下とすることを特徴とする。

また、請求項６の発明は、請求項５の発明に係る熱処理方法において、前記スイッチング素子のゲートに出力するパルスのオン時間とオフ時間との比率は１０：１３〜１３：１０の範囲内であることを特徴とする。

また、請求項７の発明は、請求項５または請求項６の発明に係る熱処理方法において、前記コイルのインダクタンスを可変とすることを特徴とする。

請求項１から請求項４の発明によれば、オンオフ周期が１０マイクロ秒以上５００マイクロ秒以下であってオン時間とオフ時間とが１：１０〜１０：１の範囲内の一定比率となるパルスをスイッチング素子のゲートに出力し、フラッシュランプが発光を開始してから発光出力が最大値に到達するまでの時間が１０ミリ秒以上１００ミリ秒以下となり、フラッシュランプの総発光時間が２０ミリ秒以上１０００ミリ秒以下となるようにフラッシュランプへの通電を制御するため、フラッシュランプからの発光出力の出力波形がブロードなものとなって基板表面が受けるトータル熱量は増大しつつも基板の昇温および降温は緩やかなものとなり、基板に与えるダメージを抑制しつつ、注入された不純物の活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。

特に、請求項２の発明によれば、パルスのオン時間とオフ時間との比率は１０：１３〜１３：１０の範囲内であるため、不純物の活性化および／または欠陥の回復がより効果的になされる。

特に、請求項３の発明によれば、コイルがインダクタンスを調整可能な可変コイルであるため、フラッシュランプの発光出力の出力波形をより自在に調整することができる。

また、請求項５から請求項７の発明によれば、フラッシュランプ、コンデンサおよびコイルと直列に接続されたスイッチング素子のゲートに、オンオフ周期が１０マイクロ秒以上５００マイクロ秒以下であってオン時間とオフ時間とが１：１０〜１０：１の範囲内の一定比率となるパルスを出力し、フラッシュランプが発光を開始してから発光出力が最大値に到達するまでの時間を１０ミリ秒以上１００ミリ秒以下にするとともに、フラッシュランプの総発光時間を２０ミリ秒以上１０００ミリ秒以下とするため、フラッシュランプからの発光出力の出力波形がブロードなものとなって基板表面が受けるトータル熱量は増大しつつも基板の昇温および降温は緩やかなものとなり、基板に与えるダメージを抑制しつつ、注入された不純物の活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。

特に、請求項６の発明によれば、パルスのオン時間とオフ時間との比率は１０：１３〜１３：１０の範囲内であるため、不純物の活性化および／または欠陥の回復がより効果的になされる。

特に、請求項７の発明によれば、コイルのインダクタンスを可変とするため、フラッシュランプの発光出力の出力波形をより自在に調整することができる。

本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 図１の熱処理装置のガス路を示す断面図である。 保持部の構成を示す断面図である。 ホットプレートを示す平面図である。 図１の熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 フラッシュランプの駆動回路を示す図である。 図１の熱処理装置での処理対象となる半導体ウェハーに形成された素子の構造を示す図である。 予備加熱が開始されてからの半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 制御部から出力されるパルス信号の波形の一例を示す図である。 図９のパルス波形の一周期分を拡大した図である。 フラッシュランプの発光出力プロファイルの一例を示す図である。 フラッシュランプの発光出力プロファイルの他の例を示す図である。 フラッシュランプの駆動回路の他の例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本発明に係る熱処理装置の全体構成について概説する。図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。熱処理装置１は基板として略円形の半導体ウェハーＷに光を照射してその半導体ウェハーＷを加熱するランプアニール装置である。

熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容する略円筒形状のチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するランプハウス５と、を備える。また、熱処理装置１は、チャンバー６およびランプハウス５に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。

チャンバー６は、ランプハウス５の下方に設けられており、略円筒状の内壁を有するチャンバー側部６３、および、チャンバー側部６３の下部を覆うチャンバー底部６２によって構成される。また、チャンバー側部６３およびチャンバー底部６２によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。熱処理空間６５の上方は上部開口６０とされており、上部開口６０にはチャンバー窓６１が装着されて閉塞されている。

チャンバー６の天井部を構成するチャンバー窓６１は、石英により形成された円板形状部材であり、ランプハウス５から出射された光を熱処理空間６５に透過する石英窓として機能する。チャンバー６の本体を構成するチャンバー底部６２およびチャンバー側部６３は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されており、チャンバー側部６３の内側面の上部のリング６３１は、光照射による劣化に対してステンレススチールより優れた耐久性を有するアルミニウム（Ａｌ）合金等で形成されている。

また、熱処理空間６５の気密性を維持するために、チャンバー窓６１とチャンバー側部６３とはＯリングによってシールされている。すなわち、チャンバー窓６１の下面周縁部とチャンバー側部６３との間にＯリングを挟み込むとともに、クランプリング９０をチャンバー窓６１の上面周縁部に当接させ、そのクランプリング９０をチャンバー側部６３にネジ止めすることによって、チャンバー窓６１をＯリングに押し付けている。

チャンバー底部６２には、保持部７を貫通して半導体ウェハーＷをその下面（ランプハウス５からの光が照射される側とは反対側の面）から支持するための複数（本実施の形態では３本）の支持ピン７０が立設されている。支持ピン７０は、例えば石英により形成されており、チャンバー６の外部から固定されているため、容易に取り替えることができる。

チャンバー側部６３は、半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部６６を有し、搬送開口部６６は、軸６６２を中心に回動するゲートバルブ１８５により開閉可能とされる。チャンバー側部６３における搬送開口部６６とは反対側の部位には熱処理空間６５に処理ガス（例えば、窒素（Ｎ₂）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス、あるいは、酸素（０₂）ガス等）を導入する導入路８１が形成され、その一端は弁８２を介して図示省略の給気機構に接続され、他端はチャンバー側部６３の内部に形成されるガス導入バッファ８３に接続される。また、搬送開口部６６には熱処理空間６５内の気体を排出する排出路８６が形成され、弁８７を介して図示省略の排気機構に接続される。

図２は、チャンバー６をガス導入バッファ８３の位置にて水平面で切断した断面図である。図２に示すように、ガス導入バッファ８３は、図１に示す搬送開口部６６の反対側においてチャンバー側部６３の内周の約１／３に亘って形成されており、導入路８１を介してガス導入バッファ８３に導かれた処理ガスは、複数のガス供給孔８４から熱処理空間６５内へと供給される。

また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部において半導体ウェハーＷを水平姿勢にて保持しつつ光照射前にその保持する半導体ウェハーＷの予備加熱を行う略円板状の保持部７と、保持部７をチャンバー６の底面であるチャンバー底部６２に対して昇降させる保持部昇降機構４と、を備える。図１に示す保持部昇降機構４は、略円筒状のシャフト４１、移動板４２、ガイド部材４３（本実施の形態ではシャフト４１の周りに３本配置される）、固定板４４、ボールネジ４５、ナット４６およびモータ４０を有する。チャンバー６の下部であるチャンバー底部６２には保持部７よりも小さい直径を有する略円形の下部開口６４が形成されており、ステンレススチール製のシャフト４１は、下部開口６４を挿通して、保持部７（厳密には保持部７のホットプレート７１）の下面に接続されて保持部７を支持する。

移動板４２にはボールネジ４５と螺合するナット４６が固定されている。また、移動板４２は、チャンバー底部６２に固定されて下方へと伸びるガイド部材４３により摺動自在に案内されて上下方向に移動可能とされる。また、移動板４２は、シャフト４１を介して保持部７に連結される。

モータ４０は、ガイド部材４３の下端部に取り付けられる固定板４４に設置され、タイミングベルト４０１を介してボールネジ４５に接続される。保持部昇降機構４により保持部７が昇降する際には、駆動部であるモータ４０が制御部３の制御によりボールネジ４５を回転し、ナット４６が固定された移動板４２がガイド部材４３に沿って鉛直方向に移動する。この結果、移動板４２に固定されたシャフト４１が鉛直方向に沿って移動し、シャフト４１に接続された保持部７が図１に示す半導体ウェハーＷの受渡位置と図５に示す半導体ウェハーＷの処理位置との間で滑らかに昇降する。

移動板４２の上面には略半円筒状（円筒を長手方向に沿って半分に切断した形状）のメカストッパ４５１がボールネジ４５に沿うように立設されており、仮に何らかの異常により移動板４２が所定の上昇限界を超えて上昇しようとしても、メカストッパ４５１の上端がボールネジ４５の端部に設けられた端板４５２に突き当たることによって移動板４２の異常上昇が防止される。これにより、保持部７がチャンバー窓６１の下方の所定位置以上に上昇することはなく、保持部７とチャンバー窓６１との衝突が防止される。

また、保持部昇降機構４は、チャンバー６の内部のメンテナンスを行う際に保持部７を手動にて昇降させる手動昇降部４９を有する。手動昇降部４９はハンドル４９１および回転軸４９２を有し、ハンドル４９１を介して回転軸４９２を回転することより、タイミングベルト４９５を介して回転軸４９２に接続されるボールネジ４５を回転して保持部７の昇降を行うことができる。

チャンバー底部６２の下側には、シャフト４１の周囲を囲み下方へと伸びる伸縮自在のベローズ４７が設けられ、その上端はチャンバー底部６２の下面に接続される。一方、ベローズ４７の下端はベローズ下端板４７１に取り付けられている。べローズ下端板４７１は、鍔状部材４１１によってシャフト４１にネジ止めされて取り付けられている。保持部昇降機構４により保持部７がチャンバー底部６２に対して上昇する際にはベローズ４７が収縮され、下降する際にはべローズ４７が伸張される。そして、保持部７が昇降する際にも、ベローズ４７が伸縮することによって熱処理空間６５内の気密状態が維持される。

図３は、保持部７の構成を示す断面図である。保持部７は、半導体ウェハーＷを予備加熱（いわゆるアシスト加熱）するホットプレート（加熱プレート）７１、および、ホットプレート７１の上面（保持部７が半導体ウェハーＷを保持する側の面）に設置されるサセプタ７２を有する。保持部７の下面には、既述のように保持部７を昇降するシャフト４１が接続される。サセプタ７２は石英（あるいは、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）等であってもよい）により形成され、その上面には半導体ウェハーＷの位置ずれを防止するピン７５が設けられる。サセプタ７２は、その下面をホットプレート７１の上面に面接触させてホットプレート７１上に設置される。これにより、サセプタ７２は、ホットプレート７１からの熱エネルギーを拡散してサセプタ７２上面に載置された半導体ウェハーＷに伝達するとともに、メンテナンス時にはホットプレート７１から取り外して洗浄可能とされる。

ホットプレート７１は、ステンレススチール製の上部プレート７３および下部プレート７４にて構成される。上部プレート７３と下部プレート７４との間には、ホットプレート７１を加熱するニクロム線等の抵抗加熱線７６が配設され、導電性のニッケル（Ｎｉ）ロウが充填されて封止されている。また、上部プレート７３および下部プレート７４の端部はロウ付けにより接着されている。

図４は、ホットプレート７１を示す平面図である。図４に示すように、ホットプレート７１は、保持される半導体ウェハーＷと対向する領域の中央部に同心円状に配置される円板状のゾーン７１１および円環状のゾーン７１２、並びに、ゾーン７１２の周囲の略円環状の領域を周方向に４等分割した４つのゾーン７１３〜７１６を備え、各ゾーン間には若干の間隙が形成されている。また、ホットプレート７１には、支持ピン７０が挿通される３つの貫通孔７７が、ゾーン７１１とゾーン７１２との隙間の周上に１２０°毎に設けられる。

６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、相互に独立した抵抗加熱線７６が周回するように配設されてヒータが個別に形成されており、各ゾーンに内蔵されたヒータにより各ゾーンが個別に加熱される。保持部７に保持された半導体ウェハーＷは、６つのゾーン７１１〜７１６に内蔵されたヒータにより加熱される。また、ゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、熱電対を用いて各ゾーンの温度を計測するセンサ７１０が設けられている。各センサ７１０は略円筒状のシャフト４１の内部を通り制御部３に接続される。

ホットプレート７１が加熱される際には、センサ７１０により計測される６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が予め設定された所定の温度になるように、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が制御部３により制御される。制御部３による各ゾーンの温度制御はＰＩＤ(Proportional,Integral,Derivative)制御により行われる。ホットプレート７１では、半導体ウェハーＷの熱処理（複数の半導体ウェハーＷを連続的に処理する場合は、全ての半導体ウェハーＷの熱処理）が終了するまでゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が継続的に計測され、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が個別に制御されて、すなわち、各ゾーンに内蔵されたヒータの温度が個別に制御されて各ゾーンの温度が設定温度に維持される。なお、各ゾーンの設定温度は、基準となる温度から個別に設定されたオフセット値だけ変更することが可能とされる。

６つのゾーン７１１〜７１６にそれぞれ配設される抵抗加熱線７６は、シャフト４１の内部を通る電力線を介して電力供給源（図示省略）に接続されている。電力供給源から各ゾーンに至る経路途中において、電力供給源からの電力線は、マグネシア（マグネシウム酸化物）等の絶縁体を充填したステンレスチューブの内部に互いに電気的に絶縁状態となるように配置される。なお、シャフト４１の内部は大気開放されている。

次に、ランプハウス５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、を備えて構成される。また、ランプハウス５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。ランプハウス５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状部材である。ランプハウス５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３がチャンバー窓６１と相対向することとなる。ランプハウス５は、チャンバー６内にて保持部７に保持される半導体ウェハーＷにランプ光放射窓５３およびチャンバー窓６１を介してフラッシュランプＦＬから光を照射することにより半導体ウェハーＷを加熱する。

複数のフラッシュランプＦＬは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。

図６は、フラッシュランプＦＬの駆動回路を示す図である。同図に示すように、コンデンサ９３と、可変コイル９４と、フラッシュランプＦＬと、スイッチング素子９６とが直列に接続されている。フラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部に陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）９２と、該ガラス管９２の外周面上に付設されたトリガー電極９１とを備える。コンデンサ９３には、電源ユニット９５によって所定の電圧が印加され、その印加電圧に応じた電荷が充電される。可変コイル９４は、インダクタンスの値を自在に調整可能なコイルである。また、トリガー電極９１にはトリガー回路９７から電圧を印加することができる。トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングは制御部３によって制御される。

本実施の形態では、スイッチング素子９６として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ；Insulated gate bipolar transistor）を用いている。ＩＧＢＴは、ゲート部にＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）を組み込んだバイポーラトランジスタであり、大電力を取り扱うのに適したスイッチング素子である。スイッチング素子９６のゲートには制御部３のパルス発生器３１からパルス信号が印加される。

コンデンサ９３が充電された状態でスイッチング素子９６のゲートにパルスが出力されてガラス管９２の両端電極に高電圧が印加されたとしても、キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加して絶縁を破壊した場合には両端電極間の放電によってガラス管９２内に電流が瞬時に流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。

また、図１のリフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射された光を保持部７の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されて梨地模様を呈する。このような粗面化加工を施しているのは、リフレクタ５２の表面が完全な鏡面であると、複数のフラッシュランプＦＬからの反射光の強度に規則パターンが生じて半導体ウェハーＷの表面温度分布の均一性が低下するためである。

制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えて構成される。また、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備えるとともに、入力部３３に接続されている。入力部３３としては、キーボード、マウス、タッチパネル等の種々の公知の入力機器を採用することができる。入力部３３からの入力内容に基づいて波形設定部３２がパルス信号の波形を設定し、その波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を発生する。

上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にフラッシュランプＦＬおよびホットプレート７１から発生する熱エネルギーによるチャンバー６およびランプハウス５の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６のチャンバー側部６３およびチャンバー底部６２には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ランプハウス５は、内部に気体流を形成して排熱するための気体供給管５５および排気管５６が設けられて空冷構造とされている（図１，５参照）。また、チャンバー窓６１とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、ランプハウス５およびチャンバー窓６１を冷却する。

次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入法により不純物（イオン）が添加された半導体基板である。図７は、熱処理装置１での処理対象となる半導体ウェハーＷに形成された素子の構造を示す図である。シリコン基板１１にはソース・ドレイン領域１２とエクステンション領域１３とが形成されるとともに、その上面にはゲート電極１５が設けられる。エクステンション領域１３はソース・ドレイン領域１２とチャネルとの電気的接続部である。ゲート電極１５は、完全な金属ゲートである（フルメタルゲート）。金属のゲート電極１５はゲート絶縁膜１４を介してシリコン基板１１上に設けられており、その測方にはセラミックスのサイドウォール１６が形成される。ソース・ドレイン領域１２およびエクステンション領域１３にはイオン注入法によって不純物が導入されており、その不純物の活性化が熱処理装置１による光照射加熱処理（アニール）により実行される。以下に説明する熱処理装置１の処理手順は、制御部３が熱処理装置１の各動作機構を制御することにより進行する。

まず、保持部７が図５に示す処理位置から図１に示す受渡位置に下降する。「処理位置」とは、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷに光照射が行われるときの保持部７の位置であり、図５に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。また、「受渡位置」とは、チャンバー６に半導体ウェハーＷの搬出入が行われるときの保持部７の位置であり、図１に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。熱処理装置１における保持部７の基準位置は処理位置であり、処理前にあっては保持部７は処理位置に位置しており、これが処理開始に際して受渡位置に下降するのである。図１に示すように、保持部７が受渡位置にまで下降するとチャンバー底部６２に近接し、支持ピン７０の先端が保持部７を貫通して保持部７の上方に突出する。

次に、保持部７が受渡位置に下降したときに、弁８２および弁８７が開かれてチャンバー６の熱処理空間６５内に常温の窒素ガスが導入される。続いて、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介して半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入され、複数の支持ピン７０上に載置される。

半導体ウェハーＷの搬入時におけるチャンバー６への窒素ガスのパージ量は約４０リットル／分とされ、供給された窒素ガスはチャンバー６内においてガス導入バッファ８３から図２中に示す矢印ＡＲ４の方向へと流れ、図１に示す排出路８６および弁８７を介してユーティリティ排気により排気される。また、チャンバー６に供給された窒素ガスの一部は、べローズ４７の内側に設けられる排出口（図示省略）からも排出される。なお、以下で説明する各ステップにおいて、チャンバー６には常に窒素ガスが供給および排気され続けており、窒素ガスの供給量は半導体ウェハーＷの処理工程に合わせて様々に変更される。

半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されると、ゲートバルブ１８５により搬送開口部６６が閉鎖される。そして、保持部昇降機構４により保持部７が受渡位置からチャンバー窓６１に近接した処理位置にまで上昇する。保持部７が受渡位置から上昇する過程において、半導体ウェハーＷは支持ピン７０から保持部７のサセプタ７２へと渡され、サセプタ７２の上面に載置・保持される。保持部７が処理位置にまで上昇するとサセプタ７２に保持された半導体ウェハーＷも処理位置に保持されることとなる。

ホットプレート７１の６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれは、各ゾーンの内部（上部プレート７３と下部プレート７４との間）に個別に内蔵されたヒータ（抵抗加熱線７６）により所定の温度まで加熱されている。保持部７が処理位置まで上昇して半導体ウェハーＷが保持部７と接触することにより、その半導体ウェハーＷはホットプレート７１に内蔵されたヒータによって予備加熱されて温度が次第に上昇する。

図８は、予備加熱が開始されてからの半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。処理位置にて時間ｔｐの予備加熱が行われ、半導体ウェハーＷの温度が予め設定された予備加熱温度Ｔ１まで上昇する。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷに添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、２００℃ないし８００℃程度、好ましくは３５０℃ないし６００℃程度とされる（本実施の形態では６００℃）。また、半導体ウェハーＷの予備加熱を行う時間ｔｐは、約３秒〜２００秒とされる（本実施の形態では６０秒）。なお、保持部７とチャンバー窓６１との間の距離は、保持部昇降機構４のモータ４０の回転量を制御することにより任意に調整することが可能とされている。

時間ｔｐの予備加熱時間が経過した後、時刻ＡにてフラッシュランプＦＬによる半導体ウェハーＷの光照射加熱が開始される。フラッシュランプＦＬからの光照射を行うに際しては、予め電源ユニット９５によってコンデンサ９３に電荷を蓄積しておく。そして、コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にて、制御部３のパルス発生器３１からスイッチング素子９６にパルス信号を出力する。

図９は、制御部３から出力されるパルス信号の波形の一例を示す図である。パルス信号の波形は、パルス幅の時間（オン時間）、パルス間隔の時間（オフ時間）およびパルス数（パルスの立ち上がりの回数）を入力部３３から入力することによって規定することができる。本実施形態においては、これらのパラメータとしてパルスのオン時間１３０マイクロ秒、オフ時間１００マイクロ秒、パルス数２００パルスが入力部３３から制御部３に入力される。その結果、制御部３の波形設定部３２は図９に示すようなパルス波形を設定する。

図９に示すパルス波形においては、一定周期でパルスが繰り返される。図１０は、図９のパルス波形の一周期分を拡大した図である。入力部３３から入力されたパラメータに従って波形設定部３２がパルス信号の波形を設定しており、その一周期分はオン時間ｔ_on＝１３０マイクロ秒のパルス部分と、オフ時間ｔ_off＝１００マイクロ秒のパルス間部分とからなる。よって、波形設定部３２が設定するパルス波形のオンオフ周期ｔ_wは２３０マイクロ秒となる。そして、波形設定部３２は、図１０に示すようなパルスを２００周期分含む図９のパルス波形を設定する。

制御部３のパルス発生器３１は、波形設定部３２によって設定されたパルス波形に従ってパルス信号を出力する。その結果、スイッチング素子９６のゲートには図９のような波形のパルス信号が印加され、スイッチング素子９６のオンオフ駆動が制御されることとなる。すなわち、スイッチング素子９６は、１３０マイクロ秒オンとなった後に１００マイクロ秒オフとなる動作を２００回繰り返すのである。

また、パルス発生器３１から出力するパルス信号がオンになるタイミングと同期して制御部３がトリガー回路９７を制御してトリガー電極９１に電圧を印加する。これにより、スイッチング素子９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはガラス管９２内の両端電極間で必ず電流が流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。すなわち、制御部３からスイッチング素子９６のゲートに図９の波形のパルス信号を出力するとともに、該パルス信号がオンになるタイミングと同期してトリガー電極９１に電圧を印加することにより、フラッシュランプＦＬを含む回路中に電流が流れてフラッシュランプＦＬが発光するのである。

フラッシュランプＦＬの発光出力は、フラッシュランプＦＬに流れる電流にほぼ比例する。図９に示す波形のパルス信号にてスイッチング素子９６をオンオフ駆動させることによってフラッシュランプＦＬに流れる電流を制御した結果、フラッシュランプＦＬの発光出力の出力波形（発光出力プロファイル）は図１１に示すようなパターンとなる。そして、図１１に示す如きフラッシュランプＦＬからの出力波形にて、処理位置の保持部７に保持された半導体ウェハーＷに光照射が行われる。

従来のように、スイッチング素子９６を使用することなくフラッシュランプＦＬを発光させた場合には、コンデンサ９３に蓄積されていた電荷が１回の発光で瞬時に消費される。このため、フラッシュランプＦＬからの出力波形は急激に立ち上がって急激に降下する幅が０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンド程度のシングルパルスとなる（図１１の点線で示す発光出力プロファイル）。

これに対して、本実施の形態のように、回路中にスイッチング素子９６を接続してそのゲートに図９のようなパルス信号を出力することにより、いわばフラッシュランプＦＬの発光がチョッパ制御されることとなり、コンデンサ９３に蓄積された電荷が分割して消費され、極めて短い時間の間にフラッシュランプＦＬが点滅を繰り返す。もっとも、フラッシュランプＦＬに流れる電流が完全に”０”になる前に次のパルスがスイッチング素子９６のゲートに印加されて電流値が再度増加する。このため、フラッシュランプＦＬが点滅を繰り返している間もその発光出力が完全に”０”になることはなく、細かな増減を繰り返しながらマクロにはフラッシュランプＦＬの発光出力は図１１の実線に示すようなパターンを描く。

図１１の実線にて示す本実施形態の光の出力波形は従来の出力波形（点線）よりブロードなものとなっている。すなわち、本実施形態においては、フラッシュランプＦＬの発光出力が従来よりも緩やかに上昇して緩やかに下降し、具体的にはフラッシュランプＦＬが発光を開始してからその発光出力が最大値に到達するまでの時間ｔ１が１０ミリ秒以上１００ミリ秒以下となる。また、フラッシュランプＦＬの総発光時間ｔ２は２０ミリ秒以上１０００ミリ秒以下となる。

このようなブロードな出力波形の光を半導体ウェハーＷに照射することによって、半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１から目標とする処理温度Ｔ２にまで緩やかに昇温してから緩やかに降温する。半導体ウェハーＷの表面温度の変化が緩やかとなるため、半導体ウェハーＷに与える熱的ダメージを低減してその割れを防止することができる。また、半導体ウェハーＷの表面温度が目標とする処理温度Ｔ２にまで昇温することによって、半導体ウェハーＷのソース・ドレイン領域１２およびエクステンション領域１３に注入された不純物の活性化が十分に行われる。さらに、半導体ウェハーＷの表面が受けるトータル熱量は従来よりも増大し、イオン注入時に半導体ウェハーＷに導入された欠陥の回復をも進めることができる。なお、処理温度Ｔ２は１０００℃以上である。

もっとも、半導体ウェハーＷの表面温度が緩やかに昇温してから緩やかに降温するとはいえども、それは従来のフラッシュランプアニールに比較すればのことであり、フラッシュランプＦＬの総発光時間ｔ２は１秒以下であるため、ハロゲンランプなどを用いた光照射加熱と比較すると著しく短時間での昇温・降温である。

フラッシュランプＦＬによる光照射加熱が終了した後、半導体ウェハーＷが処理位置において約１０秒間待機してから保持部７が保持部昇降機構４により再び図１に示す受渡位置まで下降し、半導体ウェハーＷが保持部７から支持ピン７０へと渡される。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、支持ピン７０上に載置された半導体ウェハーＷは装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの光照射加熱処理が完了する。

既述のように、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスがチャンバー６に継続的に供給されており、その供給量は、保持部７が処理位置に位置するときには約３０リットル／分とされ、保持部７が処理位置以外の位置に位置するときには約４０リットル／分とされる。

本実施形態においては、オンオフ周期ｔ_wが２３０マイクロ秒であってオン時間ｔ_onとオフ時間ｔ_offとが１３：１０の一定比率（オン時間ｔ_on＝１３０マイクロ秒、オフ時間ｔ_off＝１００マイクロ秒）となるパルスを２００周期分スイッチング素子９６のゲートに出力することによって、フラッシュランプＦＬが発光を開始してから発光出力が最大値に到達するまでの時間ｔ１が１０ミリ秒以上１００ミリ秒以下となり、フラッシュランプＦＬの総発光時間ｔ２が２０ミリ秒以上１０００ミリ秒以下となるようにフラッシュランプＦＬへの通電を制御している。これにより、フラッシュランプＦＬの発光出力の出力波形が従来よりもブロードなものとなり、半導体ウェハーＷの表面が受けるトータル熱量は従来より増大しつつもその表面温度は従来より緩やかに昇温してから緩やかに降温する。その結果、半導体ウェハーＷに与えるダメージを抑制しつつ、注入された不純物の活性化およびイオン注入時に導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、図９に示したパルスに代えて、オンオフ周期ｔ_wが２３０マイクロ秒であってオン時間ｔ_onとオフ時間ｔ_offとが１０：１３の一定比率（つまりオン時間ｔ_on＝１００マイクロ秒、オフ時間ｔ_off＝１３０マイクロ秒）となるパルスを３００周期分スイッチング素子９６のゲートに出力するようにしても良い。このようなパルス信号にてスイッチング素子９６をオンオフ駆動させることによってフラッシュランプＦＬに流れる電流を制御した結果、フラッシュランプＦＬの発光出力プロファイルは図１２の実線にて示すようなパターンとなる。なお、図１１と同様に、図１２においても従来の出力波形を点線にてしめしている。

上記のようなパルス信号によってスイッチング素子９６をオンオフ駆動させても、フラッシュランプＦＬが発光を開始してから発光出力が最大値に到達するまでの時間ｔ１が１０ミリ秒以上１００ミリ秒以下となり、フラッシュランプＦＬの総発光時間ｔ２が２０ミリ秒以上１０００ミリ秒以下となるようにフラッシュランプＦＬへの通電が制御される。そして、その結果、図１２に示すように、フラッシュランプＦＬの発光出力の出力波形が従来よりもブロードなものとなって半導体ウェハーＷの表面温度が緩やかに昇温してから緩やかに降温することとなり、上記実施形態と同様に半導体ウェハーＷに与えるダメージを抑制しつつ、注入された不純物の活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。

但し、図１２の発光出力プロファイルは図１１よりもさらにブロードとなっている。このため、図１１および図１２のそれぞれの発光出力プロファイルにて半導体ウェハーＷに光照射を行った場合、図１１の方が半導体ウェハーＷの表面の最高到達温度が高くなる一方、図１２の方が半導体ウェハーＷの表面加熱時間は長くなる。従って、図１１の発光出力プロファイルにて半導体ウェハーＷに光照射を行うようにした方が不純物の活性化をより十分に行うことができ、シート抵抗値をより低くすることができる。なお、シート抵抗値とは、イオンが打ち込まれた半導体ウェハーＷの特性を示す指標であり、不純物の活性化によって半導体ウェハーＷの表面のシート抵抗値が低下する。よって、一般にはシート抵抗値が低くなっているほど良好な不純物活性化処理がなされたとされる。一方、図１２の発光出力プロファイルにて半導体ウェハーＷに光照射を行うようにした方が欠陥の回復をより十分に行うことができる。フラッシュランプＦＬからの発光出力の出力波形を図１１のようにするか或いは図１２のようにするかは熱処理の目的に応じて決定すれば良く、それに対応したパルス波形を波形設定部３２に設定させるようにすれば良い。

また、フラッシュランプＦＬへの通電制御は上記の例に限定されるものではなく、オンオフ周期が１０マイクロ秒以上５００マイクロ秒以下であってオン時間とオフ時間とが１：１０〜１０：１の範囲内の一定比率となるパルスをスイッチング素子９６のゲートに出力し、フラッシュランプＦＬが発光を開始してから発光出力が最大値に到達するまでの時間が１０ミリ秒以上１００ミリ秒以下となり、フラッシュランプＦＬの総発光時間が２０ミリ秒以上１０００ミリ秒以下となるものであれば良い。このような条件の範囲内にてフラッシュランプＦＬの通電制御を行えば、フラッシュランプＦＬの発光出力プロファイルがブロードなものとなって半導体ウェハーＷの表面温度が緩やかに昇温してから緩やかに降温することとなり、上記実施形態と同様に半導体ウェハーＷに与えるダメージを抑制しつつ、注入された不純物の活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。もっとも、オン時間とオフ時間との比率を１０：１３〜１３：１０の範囲内とすれば、不純物の活性化および／または欠陥の回復がより効果的になされるため、好ましい。

また、スイッチング素子９６のゲートに出力するパルス信号の波形を調整するのに加えて、可変コイル９４のインダクタンスを変更することによってフラッシュランプＦＬの発光出力プロファイルを調整するようにしても良い。定性的には、可変コイル９４のインダクタンスが大きくなるほどフラッシュランプＦＬの発光時間が長くなり、発光出力プロファイルがよりブロードなものとなる。

また、フラッシュランプＦＬを含む回路に接続されるコイルのインダクタンスを可変にする手法として、可変コイル９４を用いるのに代えて、図１３のような回路としても良い。図１３において、図６と同一の要素については同一の符号を付している。図１３の回路構成が図６と異なるのはコイルである。図１３の回路構成においては、可変コイル９４に代えて、２つのコイル１９４，１９５を直列に接続し、一方のコイル１９５にはバイパススイッチ１９６を設けている。バイパススイッチ１９６を閉じるとコイル１９４のみが機能し、バイパススイッチ１９６を開くとコイル１９４およびコイル１９５の双方が機能する。すなわち、バイパススイッチ１９６を閉じるとフラッシュランプＦＬを含む回路に接続されるコイルのインダクタンスが小さくなり、バイパススイッチ１９６を開くとコイルのインダクタンスが大きくなる。このようにしてもフラッシュランプＦＬを含む回路に接続されるコイルのインダクタンスを可変にすることができる。もっとも、図６のように可変コイル９４を用いて回路を構成した方が、インダクタンスの値を自在に調整することができてフラッシュランプＦＬの発光出力プロファイルのバリエーションをより豊富なものとすることができる。

また、パルス信号の波形の設定は、入力部３３から逐一パルス幅等のパラメータを入力することに限定されるものではなく、例えば、オペレータが入力部３３から波形を直接グラフィカルに入力するようにしても良いし、以前に設定されて磁気ディスク等の記憶部に記憶されていた波形を読み出すようにしても良いし、或いは熱処理装置１の外部からダウンロードするようにしても良い。

また、上記実施形態においては、パルス信号がオンになるタイミングと同期してトリガー電極９１に電圧を印加するようにしていたが、トリガー電圧を印加するタイミングはこれに限定されるものではなく、パルス信号の波形とは無関係に一定間隔で印加するようにしても良い。また、パルス間隔が短く、あるパルスによってフラッシュランプＦＬを流れた電流の電流値が所定値以上残っている状態で次のパルスによって通電を開始されるような場合であれば、そのままフラッシュランプＦＬに電流が流れ続けるため、パルス毎にトリガー電圧を印加する必要はない。上記実施形態の図９のように、全てのパルス間隔が狭い場合には、最初のパルスが印加されたときのみにトリガー電圧を印加するようにしても良く、その後はトリガー電圧を印加せずともスイッチング素子９６のゲートに図９のパルス信号を出力するだけでフラッシュランプＦＬに電流を流し続けることができる。つまり、パルス信号がオンになるときに、フラッシュランプＦＬに電流が流れるタイミングであれば、トリガー電圧の印加タイミングは任意である。

また、上記実施形態においては、ランプハウス５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。

また、上記実施形態においては、スイッチング素子９６としてＩＧＢＴを使用していたが、これに限定されるものではなく、ＩＧＢＴ以外の他のトランジスタであっても良いし、入力されたパルス信号の波形に応じて回路をオンオフできる素子であれば良い。もっとも、フラッシュランプＦＬの発光には相当に大きな電力が消費されるため、大電力の取り扱いに適したＩＧＢＴやＧＴＯ(Gate Turn Off)サイリスタをスイッチング素子９６として採用するのが好ましい。

また、本発明に係る熱処理装置によって処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではなく、液晶表示装置などに用いるガラス基板であっても良い。また、本発明に係る技術は、金属とシリコンとの接合、或いはポリシリコンの結晶化に適用するようにしても良い。

１ 熱処理装置
３ 制御部
４ 保持部昇降機構
５ ランプハウス
６ チャンバー
７ 保持部
３１ パルス発生器
３２ 波形設定部
３３ 入力部
６０ 上部開口
６１ チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７１ ホットプレート
７２ サセプタ
９１ トリガー電極
９２ ガラス管
９３ コンデンサ
９４ 可変コイル
９５ 電源ユニット
９６ スイッチング素子
９７ トリガー回路
１９４，１９５ コイル
１９６ バイパススイッチ
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (7)

1. 基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置であって、
   基板を保持する保持手段と、
   前記保持手段に保持された基板に光を照射するフラッシュランプと、
   前記フラッシュランプ、コンデンサおよびコイルと直列に接続されたスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子のゲートにパルスを出力して前記スイッチング素子をオンオフすることによって前記フラッシュランプへの通電を制御する通電制御手段と、
   を備え、
   前記通電制御手段は、オンオフ周期が１０マイクロ秒以上５００マイクロ秒以下であってオン時間とオフ時間とが１：１０〜１０：１の範囲内の一定比率となるパルスを前記スイッチング素子のゲートに出力し、前記フラッシュランプが発光を開始してから発光出力が最大値に到達するまでの時間が１０ミリ秒以上１００ミリ秒以下となり、前記フラッシュランプの総発光時間が２０ミリ秒以上１０００ミリ秒以下となるように前記フラッシュランプへの通電を制御することを特徴とする熱処理装置。
2. 請求項１記載の熱処理装置において、
   前記通電制御手段が出力するパルスのオン時間とオフ時間との比率は１０：１３〜１３：１０の範囲内であることを特徴とする熱処理装置。
3. 請求項１または請求項２記載の熱処理装置において、
   前記コイルは、インダクタンスを調整可能な可変コイルであることを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理装置において、
   前記スイッチング素子は絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする熱処理装置。
5. フラッシュランプから基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法であって、
   前記フラッシュランプ、コンデンサおよびコイルと直列に接続されたスイッチング素子のゲートに、オンオフ周期が１０マイクロ秒以上５００マイクロ秒以下であってオン時間とオフ時間とが１：１０〜１０：１の範囲内の一定比率となるパルスを出力し、前記フラッシュランプが発光を開始してから発光出力が最大値に到達するまでの時間を１０ミリ秒以上１００ミリ秒以下にするとともに、前記フラッシュランプの総発光時間を２０ミリ秒以上１０００ミリ秒以下とすることを特徴とする熱処理方法。
6. 請求項５記載の熱処理方法において、
   前記スイッチング素子のゲートに出力するパルスのオン時間とオフ時間との比率は１０：１３〜１３：１０の範囲内であることを特徴とする熱処理方法。
7. 請求項５または請求項６記載の熱処理方法において、
   前記コイルのインダクタンスを可変とすることを特徴とする熱処理方法。

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