JP5396703B2 - 熱処理装置及び方法、並びに半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、被処理体を光照射により熱処理する熱処理装置及び方法に関し、特に被処理体を半導体基板として、導入された不純物を活性化するアニール処理を含む半導体装置の製造方法に適用して好適である。

トランジスタの高性能化を図るために、トランジスタの微細化が進んでいる。また、ソース／ドレイン領域に重畳して形成されるエクステンション領域における寄生抵抗を低減化することも行われている。この寄生抵抗の低減化を実現するには、浅く、低抵抗で且つ不純物（ドーパント）の濃度プロファイルが急峻となるように、エクステンション領域を形成する必要がある。

導入された不純物を活性化させるには、半導体基板のアニール処理が必要である。通常、エクステンション領域のアニール処理には、処理時間が１０秒間程度の急速アニール（Rapid Thermal Annealing：ＲＴＡ）処理が用いられる。しかしながらこの場合、導入された不純物の熱拡散が生じ、エクステンション領域の接合が深く形成されてしまう。この熱拡散を抑制するには、アニール温度を低く抑える必要がある。ところがこの場合、不純物の活性化率が低下し、シート抵抗が上昇してしまう。

そこで近年では、上記のＲＴＡ処理に代わり、処理時間が０．１秒間〜１秒間程度のスパイクアニール（Spike Annealing）処理や、フラッシュランプアニール（Flash Lamp Annealing）処理及びレーザアニール（Laser Annealing）処理のような１ｍ秒間程度の極短の処理時間で１２００℃を越える温度に加熱することができるアニール処理(以下、ｍsecアニール処理とする。)が、半導体装置の製造方法に採用され始めている。

特開２００７−１３０４７号公報 特開２００５−３９２１３号公報 特開２００５−２０７９９７号公報

しかしながら、半導体基板はその表面に所定のパターンが形成された状態で上記のアニール処理が施されるため、パターンに起因する光の屈折、反射等によりパターンによってエネルギーの実効的な吸収率が異なる。そのため、半導体基板の表面状態が異なれば、同じエネルギーの光を半導体基板の表面に照射しても同じ温度にならない。

特許文献１〜３には、アニール処理に先立って、処理対象である半導体基板の表面の光反射率を算出し、この反射率を利用してアニール処理の光照射を制御する技術が開示されている。ここで、半導体基板の表面の光反射率を算出する際に、特許文献１，２では当該表面に垂直の反射光のみ、特許文献３では当該表面に対して所定角度の照射光に対応した所定角度の反射光のみを検出している。しかしながら、アニール処理に用いる光源の照射光は平行光ではなく幅広い角度成分を有する光であることから、特許文献１〜３のように一方向の反射光のみの検出では、表面に様々なパターンが形成される半導体基板に適宜対応した正確な光反射率を得ることはできない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、例えば表面に様々なパターンが形成される被処理体に適宜対応した正確な光反射率を得ることができ、この光反射率に基づいて被処理体の温度を所望に保持する熱処理を可能とする熱処理装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明の熱処理装置は、非平行光光源である第１の光源と、前記第１の光源により被処理体に光を照射して、前記被処理体の光反射率を求める反射率測定部と、非平行光光源である第２の光源を用いて前記被処理体に光を照射して、前記被処理体を加熱処理する熱処理部とを含み、前記反射率測定部は、前記第１の光源の照射光が前記被処理体の表面から反射され、所定領域に入射される反射光の合計値を検出する検出部を有しており、前記第１の光源の照射光の角度強度分布と、前記第２の光源の照射光の角度強度分布とが等しい。

本発明の熱処理方法は、非平行光の光源である第１の光源により被処理体の表面に光照射して、前記被処理体の光反射率を求める第１のステップと、非平行光の光源である第２の光源により前記被処理体の表面に光照射して、前記被処理体を加熱処理する第２のステップとを含み、前記第１のステップにおいて、積分球を用いて、前記第１の光源の照射光が前記半導体基板の表面から複数の異なる方向に反射してなる反射光を検出し、前記第１の光源の照射光の角度強度分布と、前記第２の光源の照射光の角度強度分布とが等しい。

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板に不純物を導入する工程と、前記半導体基板を熱処理して、前記不純物を活性化する工程とを含み、前記熱処理は、非平行光光源である第１の光源により前記半導体基板を光照射して、前記半導体基板の光反射率を求める第１のステップと、非平行光光源である第２の光源により前記半導体基板を光照射して、前記半導体基板を加熱処理する第２のステップとを有し、前記第１のステップにおいて、積分球を用いて、前記第１の光源の照射光が前記半導体基板の表面から複数の異なる方向に反射してなる反射光を検出し、前記第１の光源の照射光の角度強度分布と、前記第２の光源の照射光の角度強度分布とが等しい。

本発明によれば、例えば表面に様々なパターンが形成される被処理体に適宜対応した正確な光反射率を得ることができ、この光反射率に基づいて被処理体の温度を所望に保持する熱処理が可能となる。

―本発明の基本骨子―
本発明者は、半導体基板の表面状態に起因する、スパイクアニール処理、及びｍsecアニール処理（レーザアニール処理及びフラッシュランプアニール処理等）における照射光の実効的な光吸収率（以下、単に実効吸収率と称する。）について考察した。
以下、記載の便宜上、実効的な光吸収率を単に実効吸収率と称する。なお、実効吸収率を求めることは、実効的な光反射率（以下、単に実効反射率と称する。）を求めることと等価である。

具体的に、半導体基板の表面状態として、当該表面に溝（例えばＳＴＩ素子分離法による、絶縁物が充填される分離溝）が形成された場合を例に採る。この溝の深さを０〜４００ｎｍまで変化させたときの、光照射によるＲＴＡ処理で半導体基板の温度を所定温度、ここでは１０００℃に保つために必要な照射光のエネルギー（ランプパワー）と、スパイクアニール処理における半導体基板の最高到達温度とを調べた。前者を図１に、後者を図２にそれぞれ示す。

図１に示すように、溝が深くなる程、半導体基板の温度を１０００℃に温度を保つために必要なランプパワーが小さくなることが判る。このことは換言すれば、半導体基板における照射光の実効吸収率が大きくなる(実効反射率が小さくなる)ことを意味する。
また、図２に示すように、溝が深くなる程、スパイクアニール処理における半導体基板の最高到達温度が低下することが判る。このことは換言すれば、半導体基板の表面における溝の深さに依存して照射光の実効吸収率（実効反射率）が変化すると、スパイクアニール処理における半導体基板の最高到達温度も変化することを意味する。

次に、フラッシュランプアニール処理において、半導体基板表面の溝の深さを０（ブランケット基板）、１５０ｎｍ、４００ｎｍとした場合における、照射光のエネルギー（パワー）密度とサーマウェーブ信号（Thermawave Signal）との関係について調べた。その結果を図３に示す。ここで、溝の深さが １５０ｎｍ及び４００ｍの溝に囲まれた一辺が１ｕｍ×１ｕｍの半導体基板表面が格子状に並んだ半導体基板の表面中に配置された５μｍ×１０μｍの広さの基板表面のサーマウェーブ信号をそれぞれ示す。

詳細には半導体基板の表面に０，１５０ｎｍ，４００ｎｍの溝を形成した後に、全面にダメージを形成するためのイオン注入を行う。そしてフラッシュランプアニール処理を実行し、その後の残留ダメージ量をサーマウェーブで測定した。 半導体基板の表面が高温になる程、イオン注入の残留ダメージが回復して、サーマウェーブ信号が小さくなることが判る。ここで、溝が深い程、フラッシュランプアニール処理における光照射のパワー密度が低くてもイオン注入ダメージが回復することが判る。即ち、実効吸収率が増大している。ブランケット基板に対して、溝の深さが１５０ｎｍの場合で１．０８倍、４００ｎｍの場合で１．１５倍に、実効吸収率が大きくなっている。

上記のように、半導体基板の表面状態に起因して、アニール処理における照射光の実効的な吸収率が変化するのは、以下のような事情を原因とすると考えられる。
例えば、図４（ａ）に示すように、レーザ光のような平行光を半導体基板１０の表面１０ａに対して垂直な方向から照射すると、半導体基板１０の表面１０ａに溝１０ｂが形成されている場合でも、照射光の実効吸収率は殆ど変化しない。

これに対して、図４（ｂ）に示すように、タングステンのハロゲンランプやフラッシュランプのように光拡散する性質の光（本明細では、レーザ光のような平行光と対比させて、非平行光と呼ぶ）を半導体基板１０の表面１０ａに照射すると、半導体基板１０の表面１０ａに溝１０ｂが形成されている場合には、当該照射光が様々な方向から表面１０ａに入射するため、溝１０ｂの内壁面に対する光反射の回数に比例して実効吸収率が増加する。例えば内壁面における照射光の吸収率をαとすると、溝１０ｂ内における光反射回数に応じて、実効吸収率は、
α＋α（１−α）＋α（１−α）²＋・・・
のように増加する。

このように、アニール処理に光拡散する性質の光を用いる場合には、半導体基板の表面に対して垂直方向の光照射のみを考慮したのでは、実効吸収率を正確に把握することはできない。このことは、半導体基板の表面に対する所定角度の照射光のみを考慮した場合でも同様である。

以上説明したように、ハロゲンランプやフラッシュランプのように光拡散する光の光源を用いた半導体基板のアニール処理では、半導体基板の表面状態に起因して、アニール処理における照射光の実効吸収率（実効反射率）が大きく変化する。これに伴い、アニール処理における半導体基板の最高到達温度も変化する。従って、アニール処理における光照射の適正を図るべく半導体基板表面の光反射率を得ようとした場合、一方向の反射光のみの検出では、表面に様々なパターンが形成される半導体基板に適宜対応した正確な光吸収率（光反射率）を得ることはできない。

本発明者は、上記の事実に鑑み、半導体基板の表面における実効吸収率（実効反射率）を、当該アニール処理との関係で正確に求めるには、光拡散する光の強度の角度分布を把握する必要があることに想到した。
ここで、半導体基板の表面に垂直な方向を基準（このときの光源から当該表面までの距離をＬ、照射光の強度成分Ｉ₀）として、入射角をθとした場合の照射光の強度成分Ｉ（θ）は、
Ｉ（θ）＝Ｉ₀ｃｏｓθ／４π（Ｌ／ｃｏｓθ）²
＝（Ｉ₀／４πＬ²）・（ｃｏｓθ）³ ・・・（１）
となる。このときの入射角θと照射光の強度成分（及びｃｏｓθ）との関係を図５（ａ）に示す。また、このときの全角度の照射強度の積分値に対する、垂直方向（θ＝からある角度θまでの照射強度の積分値の比率の関係を図５（ｂ）に示す。

本発明では、半導体基板の表面における実効吸収率（実効反射率）を正確に求めるべく、当該実効吸収率の算出（反射光の検出）に用いる第１の光源による照射光強度の角度分布（角度強度分布）を、アニール処理に用いる第２の光源による角度強度分布（例えば図５（ａ））に適合させる。
具体的には、第１の光源として、第２の光源と同等の光照射機能を有するもの（同一種の光源）を用いたり、その照射光の波長領域が第２の光源の照射光の波長領域と同等であるものを用いることが好適である。

このように第１の光源を第２の光源と同等のものとして、第１の光源の照射光の光照射角度に対する光強度分布に依存した半導体基板の表面における光反射率、即ち実効反射率を求める。この構成を採ることにより、例えば表面に様々なパターンが形成される半導体基板に適宜対応した正確な実効反射率を得ることができる。

そして、本発明では、上記のように求められた半導体基板の表面における実効反射率に基づいて、半導体基板の表面をパターンに依存することなく所望の温度に加熱するように、第２の光源の照射光強度（照射光エネルギー）を制御する。この構成を採ることにより、半導体基板の表面において、形成されたパターンに応じて実効反射率が変化しても、アニール処理時において半導体基板の最高到達温度を所望の一定温度に保持することが可能となる。

―本発明を適用した好適な実施形態―
以下、上記の基本骨子を踏まえ、本発明を適用した好適な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態では、被処理体として半導体基板を加熱処理する熱処理装置及び方法を開示する。
図６は、第１の実施形態による熱処理装置の概略構成を示すブロック図である。
この熱処理装置は、第１の光源を備え、第１の光源により被処理体、ここでは半導体基板の表面に光照射して、半導体基板の表面における実効反射率を求める反射率測定部１と、第２の光源を備え、第２の光源により半導体基板の表面に光照射して、半導体基板の表面を加熱処理するアニール処理部２と、反射率測定部１により求められた半導体基板の表面における実効反射率に基づいて、アニール処理部２における第２の光源の照射光強度（照射光エネルギー）を制御する制御部３とを備えて構成されている。

アニール処理部２では、不図示の処理チャンバー内において、例えば図７に示すように、第２の光源２１に対して、半導体基板１０が表面で対向するように設置される。第２の光源２１は、ＲＴＡもしくはスパイクアニール用としてはタングステンランプが、ｍsecアニール用としてはＸｅフラッシュランプやＡｒフラッシュランプが用いられており、これらは照射光に広い角度分布を有するランプである。第２の光源２１において、入射角をθとした場合の照射光の強度成分Ｉ（θ）は、上記の（１）式で示される。

反射率測定部１では、例えば図８で原理的に示すように、第１の光源１１に対して、半導体基板１０が表面で対向するように設置される。第１の光源１１は、（１）式で示される照射光の強度成分Ｉ（θ）が同等、即ち図９に示すように、その照射光の角度強度分布が第２の光源２１の照射光の角度強度分布と同等とされている。ここでは、第１の光源１１として、第２の光源２１と同等の光照射機能を有するランプ（同一種の光源）、または、その照射光の波長領域が第２の光源２１の照射光の波長領域と同等であるランプが用いられる。なお、参考として、半導体基板の表面に対して垂直な方向から照射する、特許文献１による反射率測定用の光の角度強度分布を図９に付記する。

第１の光源１１としては、第２の光源２１よりもその照射光の発光スペクトルが広いものを用いても良い。但しこの場合、各波長における光反射率を測定し、第２の光源２１の発光スペクトルで重み付けして積算（平均化）する必要がある。

具体的に、反射率測定部１は、図１０に示すように、第１の光源１１と、ハーフミラー１２と、ハーフミラー１２により反射した第１の光源１１の照射光の強度を測定する入射光センサ１３と、積分球機構１４と、積分球機構１４の出射口に設けられた反射光の強度を求める拡散反射光センサ１５と、拡散反射光センサ１５で求められた反射光強度と入射光センサー１３で求められた照射光強度に基づいて、半導体基板１０の表面における実効反射率を算出する実効反射率算出部１６とを備えて構成されている。
ここで、第１の光源１１、ハーフミラー１２及び入射光センサ１３を備えて入射光測定部が構成されている。

積分球は、内面がミラー構成とされており、光反射率を測定する対象の表面が粗であり、拡散した反射光をモニターする場合に一般的に用いられるものである。積分球では、球内の拡散反射光を空間的に積分して内壁全面の光強度を求めることができる。積分球の大きさに対して、光の出射口が十分小さければ、この出射口面も他の場所と同様に、光源の光強度に比例した均一強度分布となるため、測定対象の拡散反射率の正確な測定が可能となる。

積分球機構１４は、内面がミラー構成とされた球殻４１を有し、当該球殻４１に入射口４１ａ及び出射口４１ｂと、設置された半導体基板１０の表面へ光照射するための開口４１ｃとが形成されている。球殻４１内には、凸面ミラー４２及び凹面ミラー４３が設けられている。これらの構成により、開口４１ｃに複数の方向から光を照射することができる。凸面ミラー４２及び凹面ミラー４３は、第１の光源１１の角度強度分布がアニール処理部２における第２の光源２１の照射光の角度強度分布と一致するのが好ましく、その設置位置が調節されて配置される。

反射率測定部１では、第１の光源１１からの照射光がハーフミラー１２に入射する。ハーフミラー１２において、反射した光が入射光センサ１３で検出され、入射光センサ１３においてその光強度が求められる。
一方、ハーフミラー１２を透過した光は、入射口４１ａから球殻４１内へ照射され、凸面ミラー４２により一旦拡張される。拡張された光は、凹面ミラー４３により集光され、開口４１ｃを通って半導体基板１０の表面に照射される。半導体基板１０の表面で拡散反射された光は、球殻４１内で反射することにより均一化され、当該反射光が拡散反射光センサ１５で検出される。この反射光は、全反射光の強度に比例した強度の光として拡散反射光センサ１５で光強度が求められる。

実効反射率算出部１６では、入射光センサ１３で求められた照射光強度と拡散反射光センサ１５で求められた反射光強度に基づき、以下のように実効反射率が算出される。入射光センサ１３で求められた照射光強度をＩ₀、拡散反射光センサ１５で求められた反射光強度をＩ_r、ハーフミラー１２における光透過率等を考慮した比例定数をβとして、実効反射率ｒ_effは、
ｒ_eff＝βＩ_r／Ｉ₀ ・・・（２）
となる。

制御部３は、反射率測定部１で算出された半導体基板１０の表面における実効反射率に基づいて、半導体基板１０の最高到達温度を所望の一定温度に保持するように、アニール処理部２における第２の光源２１の照射光エネルギーを補正する。補正前の第２の光源２１の照射光エネルギーをＥ₀とし、（２）式を用いて、補正後の第２の光源２１の照射光エネルギーＥは、
Ｅ＝Ｅ₀／（１−ｒ_eff）
となる。

上記した熱処理装置を用いた半導体基板１０のアニール処理プロセスを図１１に示す。
先ず、反射率測定部１において、半導体基板１０を、その表面における測定部が積分球機構１４の球殻４１の開口４１ｃから露出するように設置する（ステップＳ１）。

続いて、第１の光源１１から半導体基板１０の表面１０ａに光照射し、入射光センサ１３及び拡散反射光センサ１５においてそれぞれ光強度が求められる（ステップＳ２）。
続いて、ステップＳ２で求めた各光強度に基づいて、実効反射率算出部１６により実効反射率が算出される（ステップＳ３）。

続いて、ステップＳ３で算出された実効反射率に基づいて、制御部３により、半導体基板１０の最高到達温度を所望の一定温度に保持するように、アニール処理部２における第２の光源２１の照射光エネルギーが補正される（ステップＳ４）。

続いて、半導体基板１０をアニール処理部２に設置する（ステップＳ５）。
そして、第２の光源２１により、ステップＳ４で補正調節された照射光エネルギーの照射光を半導体基板１０の表面に照射し、半導体基板１０をアニール処理する（ステップＳ６）。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、表面に様々なパターンが形成された半導体基板に適宜対応した正確な実効反射率を得ることができ、この実効反射率に基づいて半導体基板の最高到達温度を所望に保持するアニール処理が可能となる。

（変形例）
以下、第１の実施形態の変形例について説明する。この変形例では、第１の実施形態の熱処理装置とほぼ同様の装置構成でアニール処理を行うが、反射率測定部１の積分球機構が若干異なる点で第１の実施形態と相違する。なお、第１の実施形態と同一の構成部材等については、同符号を付して説明を省略する。

図１２は、第１の実施形態の変形例における熱処理装置の反射率測定部の概略構成を示す模式図である。
反射率測定部３１は、第１の光源１１と、ハーフミラー１２と、ハーフミラー１２により反射した第１の光源１１の照射光の強度を測定する入射光センサ１３と、積分球機構３２と、積分球機構３２の出射口に設けられた反射光の強度を求める拡散反射光センサ１５と、入射光センサ１３で求められた照射光強度と拡散反射光センサ１５で求められた各入射角ごとの反射光強度に基づいて、半導体基板１０の表面における実効反射率を算出する実効反射率算出部３３とを備えて構成されている。

積分球機構３２は、内面がミラー構成とされた球殻４４を有し、当該球殻４１に入射口４４ａ及び出射口４４ｂと、設置された半導体基板１０の表面へ光照射するための開口４４ｃとが形成されている。球殻４４は、その入射口４４ａが、第１の光源１１、ハーフミラー１２、及び入射光センサ１３（図１２中、破線で囲む入射光測定部）と共にこれらと連動して回転移動（回動）自在とされている。ここで、回動は球殻４４の中心位置を中心として行われる。また、出射口４４ｂ、開口４４ｃ及び拡散反射光センサ１５は位置固定されており、入射口４４ａが回動してもこれらは不動とされる。

先ず、球殻４４の入射口４４ａ、第１の光源１１、ハーフミラー１２、及び入射光センサ１３を回動させ、所定の入射角に固定される。
反射率測定部１では、第１の光源１１からの照射光がハーフミラー１２に入射する。ハーフミラー１２において、反射した光が入射光センサ１３で検出され、入射光センサ１３においてその光強度が求められる。

一方、ハーフミラー１２を透過した光は、入射口４１ａから当該所定の入射角で球殻４１内へ照射され、開口４１ｃを通って半導体基板１０の表面に照射される。半導体基板１０の表面で拡散反射された光は、球殻４１内で反射することにより均一化され、当該反射光が拡散反射光センサ１５で検出され、光強度が求められる。

上記の作業は、球殻４４の入射口４４ａ、第１の光源１１、ハーフミラー１２、及び入射光センサ１３の入射角を変えて各入射角ごとに行われ、拡散反射光センサ１５によりそれぞれ光強度が求められる。

実効反射率算出部３３では、第１の実施形態における（２）式を用いて各入射角ごとの拡散反射率を算出する。入射光センサ１３で求められた入射角θにおける照射光強度をＩ₀（θ）、拡散反射光センサ１５で求められた入射角θにおける反射光強度をＩ_r（θ）、ハーフミラー１２における光透過率等を考慮した比例定数をβとして、入射角θにおける拡散反射率ｒ（θ）は、
ｒ（θ）＝βＩ_r（θ）／Ｉ₀（θ） ・・・（２）'
となる。

実効反射率算出部３３では、各入射角ごとの拡散反射率をアニール処理部２における第２の光源２１の照射光の角度強度分布で重み付けして全入射角にわたって積算（平均化）する。これにより、実効反射率が求められる。

そして、制御部３は、反射率測定部３１で算出された半導体基板１０の表面における実効反射率に基づいて、半導体基板１０の最高到達温度を所望の一定温度に保持するように、アニール処理部２における第２の光源２１の照射光エネルギーを補正する。

上記した熱処理装置を用いた半導体基板１０のアニール処理プロセスを図１３に示す。
先ず、反射率測定部１において、半導体基板１０を、その表面における測定部が積分球機構３２の球殻４４の開口４４ｃから露出するように設置する（ステップＳ１１）。

続いて、球殻４４の入射口４４ａ、第１の光源１１、ハーフミラー１２、及び入射光センサ１３を所定の入射角に固定する（ステップＳ１２）。
続いて、第１の光源１１から光照射し、入射光センサ１３及び拡散反射光センサ１５においてそれぞれ光強度が求められる（ステップＳ１３）。

ステップＳ１２，Ｓ１３を各入射角ごとに繰り返し実行する（ステップＳ１４）
続いて、ステップＳ１４を経て求めた各入射角ごとの光強度（拡散反射光センサ１５で求められた各光強度）に基づいて、実効反射率算出部１６により実効反射率が算出される（ステップＳ１５）。

続いて、ステップＳ１５で算出された実効反射率に基づいて、制御部３により、半導体基板１０の最高到達温度を所望の一定温度に保持するように、アニール処理部２における第２の光源２１の照射光エネルギーが補正される（ステップＳ１６）。

続いて、半導体基板１０をアニール処理部２に設置する（ステップＳ１７）。
そして、第２の光源２１により、ステップＳ４で補正調節された照射光エネルギーの照射光を半導体基板１０の表面に照射し、半導体基板１０をアニール処理する（ステップＳ１８）。

以上説明したように、本例によれば、表面に様々なパターンが形成された半導体基板に適宜対応した正確な実効反射率を得ることができ、この実効反射率に基づいて半導体基板の最高到達温度を所望に保持するアニール処理が可能となる。

（第２の実施形態）
以下、本発明による第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態によるアニール処理を適用した半導体装置の製造方法を開示する。ここでは一例として、ＭＯＳトランジスタの製造方法を示すが、これに限定されることなく、各種の半導体メモリ等、熱工程を有する半導体装置に適用可能である。
図１４は、第２の実施形態によるＭＯＳトランジスタの製造方法を工程順に示す概略断面図である。

先ず、図１４（ａ）に示すように、半導体基板１０の表面１０ａにＳＴＩ素子分離法により素子分離構造１０１を形成して活性領域を画定する。
続いて、図１４（ｂ）に示すように、半導体基板１０の表面を熱酸化する事によりゲート絶縁膜１０２を形成した後、多結晶シリコン膜（不図示）をＣＶＤ法等により堆積する。そして、この多結晶シリコン膜及びゲート絶縁膜１０２をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工して、活性領域上でゲート絶縁膜１０２を介して延在するゲート電極１０３を形成する。

続いて、図１４（ｃ）に示すように、ゲート電極１０３をマスクとして、ゲート電極１０３の両側における活性領域に不純物１０４ａをイオン注入する。ここで、不純物１０４ａとしては、作製するＭＯＳトランジスタがｐ型である場合には例えばホウ素（Ｂ⁺）を、ｎ型である場合には例えば砒素（Ａｓ⁺）を用いる。前者の場合には、例えばドーズ量１×１０¹⁴〜２×１０¹⁵／ｃｍ²、加速エネルギー１ｋｅＶ以下でイオン注入する。後者の場合には、例えばドーズ量１×１０¹⁴〜２×１０¹⁵／ｃｍ²、加速エネルギー０．５〜５ｋｅＶでイオン注入する。

続いて、図１４（ｄ）に示すように、第１の実施形態で示したアニール処理、ここではフラッシュランプアニール処理により、例えば処理時間約１ミリ秒で半導体基板１の表面を加熱する。このアニール処理により、活性領域に導入された不純物１０４ａが活性化され、低抵抗で不純物の濃度プロファイルが急峻な浅い接合である一対のエクステンション領域１０４が形成される。

続いて、図１４（ｅ）に示すように、ゲート電極１０３上を含む全面にシリコン酸化膜を堆積し、その全面を異方性ドライエッチング（エッチバック）することにより、ゲート電極１０３の両側面のみにシリコン酸化膜を残し、サイドウォール絶縁膜１０５を形成する。

続いて、図１４（ｆ）に示すように、ゲート電極１０３及びサイドウォール絶縁膜１０５をマスクとして、ゲート電極１０３の両側における活性領域に不純物をイオン注入する。ここで、不純物としては、作製するＭＯＳトランジスタがｐ型である場合には例えばホウ素（Ｂ⁺）を、ｎ型である場合には例えば燐（Ｐ⁺）を用いる。前者の場合には、例えばドーズ量２×１０¹⁵〜１×１０¹⁶／ｃｍ²、加速エネルギー２〜５ｋｅＶでイオン注入する。後者の場合には、例えばドーズ量２×１０¹⁵〜１×１０¹⁶／ｃｍ²、加速エネルギー１ｋｅＶ〜２０ｋｅＶでイオン注入する。

そして、半導体基板１０の表面をアニール処理することにより、エクステンション領域１０４と一部重畳されてなる、エクステンション領域１０４よりも深い接合であるソース／ドレイン領域１０６が形成される。
しかる後、層間絶縁膜や接続孔、各種の配線を形成し、ＭＯＳトランジスタを完成させる。

以上説明したように、本実施形態によれば、エクステンション領域１０４を、シート抵抗を上昇させることなく、低抵抗で不純物の濃度プロファイルが急峻な浅い接合状態に形成することができ、高性能で微細なＭＯＳトランジスタが実現される。
ここでは、半導体基板上に形成されるトランジスタのエクステンション領域の形成工程に、本発明の熱処理方法を適用させて説明した。しかし、本発明はエクステンション領域の形成に限られるものではない。半導体の製造工程には、ウェル注入、ソースドレイン注入、ポケット注入など、多くの不純物注入工程があり、これらの活性化工程にも本発明は適用しうる。また、シリサイドを形成する工程における熱処理においても、正確な温度制御が求められており、本発明が適用できる。さらには、ＦＲＡＭキャパシタの熱処理工程など、凹凸のある基板を加熱するプロセスに適用することが可能である。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）非平行光光源である第１の光源と、
前記第１の光源により被処理体に光を照射して、前記被処理体の光反射率を求める反射率測定部と、
非平行光光源である第２の光源を用いて前記被処理体に光を照射して、前記被処理体を加熱処理する熱処理部と
を含むことを特徴とする熱処理装置。

（付記２）前記第１の光源の照射光の光照射角度に対する光強度分布が、前記第２の光源の照射光の光照射角度に対する光強度分布と等しいことを特徴とする付記１に記載の熱処理装置。

（付記３）前記反射率測定部は、前記第１の光源の照射光が前記被処理体の表面から反射され、所定領域に入射される反射光の合計値を検出する検出部を有することを特徴とする付記１又は２に記載の熱処理装置。

（付記４）前記検出部は積分球であることを特徴とする付記３に記載の熱処理装置。

（付記５）前記積分球は、前記第１の光源の照射光を反射する凸面部と、前記凸面部からの反射光を前記被処理体の表面へ集光する凹面部とを有していることを特徴とする付記４に記載の熱処理装置。

（付記６）前記積分球は、その前記第１の光源の入射口が前記第１の光源と連動して移動自在とされており、前記移動により前記被処理体の表面に対する前記第１の光源の照射光の光照射角度を変化させて、前記第１の光源の照射光の各光照射角度に対する反射光を検出し、
前記反射率測定部は、前記第１の光源の照射光の各光照射角度に対する反射光の反射率を、前記第２の光源の照射光の光照射角度に対する光強度分布で重み付けして平均化し、前記被処理体の表面における光反射率を求めることを特徴とする付記４に記載の熱処理装置。

（付記７）前記反射率測定部により求められた前記被処理体の光反射率に基づいて、前記熱処理部における前記第２の光源の照射光エネルギーを制御する光照射制御部を更に含むことを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の熱処理装置。

（付記８）前記第１の光源は、その照射光の波長領域が前記第２の光源の照射光の波長領域と等しいことを特徴とする付記１〜７のいずれか１項に記載の熱処理装置。

（付記９）非平行光の光源である第１の光源により被処理体の表面に光照射して、前記被処理体の光反射率を求める第１のステップと、
非平行光の光源である第２の光源により前記被処理体の表面に光照射して、前記被処理体を加熱処理する第２のステップと
を含むことを特徴とする熱処理方法。

（付記１０）前記第１の光源の照射光の光照射角度に対する光強度分布が、前記第２の光源の照射光の光照射角度に対する光強度分布と等しいことを特徴とする付記９に記載の熱処理方法。

（付記１１）前記第１のステップにおいて、積分球を用いて、前記第１の光源の照射光が前記被処理体の表面から複数の異なる方向に反射してなる反射光を検出することを特徴とする付記９に記載の熱処理方法。

（付記１２）前記積分球は、前記第１の光源の照射光を反射する凸面部と、前記凸面部からの反射光を前記被処理体の表面へ集光する凹面部とを有していることを特徴とする付記１１に記載の熱処理方法。

（付記１３）前記積分球は、その前記第１の光源の入射口が前記第１の光源と連動して移動自在とされており、前記移動により前記被処理体の表面に対する前記第１の光源の照射光の光照射角度を変化させて、前記第１の光源の照射光の各光照射角度に対する反射光を検出し、
前記第１のステップにおいて、前記第１の光源の照射光の各光照射角度に対する反射光の反射率を、前記第２の光源の照射光の光照射角度に対する光強度分布で重み付けして平均化し、前記被処理体の表面における光反射率を求めることを特徴とする付記１１に記載の熱処理方法。

（付記１４）前記第１のステップにおいて求められた前記被処理体の表面における光反射率に基づいて、前記第２の光源の照射光エネルギーを制御する第３のステップを更に含むことを特徴とする付記９〜１３のいずれか１項に記載の熱処理方法。

（付記１５）前記第１の光源は、その照射光の波長領域が前記第２の光源の照射光の波長領域と等しいことを特徴とする付記９〜１４のいずれか１項に記載の熱処理方法。

（付記１６）前記被処理体が半導体基板であり、その表面に所定のパターンが形成されてなるものであることを特徴とする付記９〜１５のいずれか１項に記載の熱処理方法。

（付記１７）半導体基板に不純物を導入する工程と、
前記半導体基板を熱処理して、前記不純物を活性化する工程と
を含み、
前記熱処理は、
非平行光光源である第１の光源により前記半導体基板を光照射して、前記半導体基板の光反射率を求める第１のステップと、
非平行光光源である第２の光源により前記半導体基板を光照射して、前記半導体基板を加熱処理する第２のステップと
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記１８）前記第１のステップにおいて、積分球を用いて、前記第１の光源の照射光が前記半導体基板の表面から複数の異なる方向に反射してなる反射光を検出することを特徴とする付記１７に記載の半導体装置の製造方法。

（付記１９）前記第１のステップにおいて求められた前記半導体基板の表面における光反射率に基づいて、前記第２の光源の照射光エネルギーを制御する第３のステップを更に含むことを特徴とする付記１７又は１８に記載の半導体装置の製造方法。

（付記２０）前記半導体基板に前記不純物を導入する工程は、前記半導体基板に形成されるＭＯＳトランジスタのエクステンション注入工程であることを特徴とする付記１７〜１９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

基板の溝深さと、光照射によるスパイクアニール処理で半導体基板の温度を１０００℃に保つために必要な照射光のエネルギーとの関係を示す特性図である。 基板の溝深さと、スパイクアニール処理における半導体基板の最高到達温度との関係を示す特性図である。 フラッシュランプアニール処理において、基板の溝深さを変えた際の、照射光のエネルギー密度とサーマウェーブ信号との関係を示す特性図である。 基板の溝が形成されている場合の実効吸収率を説明するための模式図である。 照射光強度の角度分布を説明する特性図である。 第１の実施形態による熱処理装置の概略構成を示すブロック図である。 第１の実施形態におけるアニール処理部を示す模式図である。 第１の実施形態における反射率測定部を原理的に示す模式図である。 アニール処理部及び反射率測定部の各光源における照射光の角度強度分布を示す特性図である。 第１の実施形態における反射率測定部の具体的構成を示す模式図である。 第１の実施形態における熱処理装置を用いた半導体基板のアニール処理プロセスを示すフロー図である。 第１の実施形態の変形例における反射率測定部の具体的構成を示す模式図である。 第１の実施形態の変形例における熱処理装置を用いた半導体基板のアニール処理プロセスを示すフロー図である。 第２の実施形態によるＭＯＳトランジスタの製造方法を工程順に示す概略断面図である。

符号の説明

１，３１ 反射率測定部
２ アニール処理部
３ 制御部
１０ 半導体基板
１１ 第１の光源
１２ ハーフミラー
１３ 入射光センサ
１４，３２ 積分球機構
１５ 拡散反射光センサ
１６，３３ 実効反射率算出部
２１ 第２の光源
４１，４４ 球殻
４１ａ，４４ａ 入射口
４１ｂ，４４ｂ 出射口
４１ｃ，４４ｃ 開口
１０１ 素子分離構造
１０２ ゲート絶縁膜
１０３ ゲート電極
１０４ エクステンション領域
１０５ サイドウォール絶縁膜
１０６ ソース／ドレイン領域

Claims (8)

1. 非平行光光源である第１の光源と、
   前記第１の光源により被処理体に光を照射して、前記被処理体の光反射率を求める反射率測定部と、
   非平行光光源である第２の光源を用いて前記被処理体に光を照射して、前記被処理体を加熱処理する熱処理部と
   を含み、
   前記反射率測定部は、前記第１の光源の照射光が前記被処理体の表面から反射され、所定領域に入射される反射光の合計値を検出する検出部を有しており、
   前記第１の光源の照射光の角度強度分布と、前記第２の光源の照射光の角度強度分布とが等しいことを特徴とする熱処理装置。
2. 前記検出部は積分球であることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記反射率測定部により求められた前記被処理体の光反射率に基づいて、前記熱処理部における前記第２の光源の照射光エネルギーを制御する光照射制御部を更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱処理装置。
4. 非平行光の光源である第１の光源により被処理体の表面に光照射して、前記被処理体の光反射率を求める第１のステップと、
   非平行光の光源である第２の光源により前記被処理体の表面に光照射して、前記被処理体を加熱処理する第２のステップと
   を含み、
   前記第１のステップにおいて、積分球を用いて、前記第１の光源の照射光が前記半導体基板の表面から複数の異なる方向に反射してなる反射光を検出し、
   前記第１の光源の照射光の角度強度分布と、前記第２の光源の照射光の角度強度分布とが等しいことを特徴とする熱処理方法。
5. 前記第１のステップにおいて求められた前記被処理体の表面における光反射率に基づいて、前記第２の光源の照射光エネルギーを制御する第３のステップを更に含むことを特徴とする請求項４に記載の熱処理方法。
6. 半導体基板に不純物を導入する工程と、
   前記半導体基板を熱処理して、前記不純物を活性化する工程と
   を含み、
   前記熱処理は、
   非平行光光源である第１の光源により前記半導体基板を光照射して、前記半導体基板の光反射率を求める第１のステップと、
   非平行光光源である第２の光源により前記半導体基板を光照射して、前記半導体基板を加熱処理する第２のステップと
   を有し、
   前記第１のステップにおいて、積分球を用いて、前記第１の光源の照射光が前記半導体基板の表面から複数の異なる方向に反射してなる反射光を検出し、
   前記第１の光源の照射光の角度強度分布と、前記第２の光源の照射光の角度強度分布とが等しいことを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記第１のステップにおいて求められた前記半導体基板の表面における光反射率に基づいて、前記第２の光源の照射光エネルギーを制御する第３のステップを更に含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記半導体基板に前記不純物を導入する工程は、前記半導体基板に形成されるＭＯＳトランジスタのエクステンション注入工程であることを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体装置の製造方法。

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