JP5620114B2 - Heat treatment method and heat treatment apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、不純物(イオン)が注入された半導体ウェハー、液晶表示装置用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、光ディスク用基板等の薄板状の精密電子基板(以下、単に「基板」と称する)にフラッシュ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。 The present invention is applied to thin precision electronic substrates (hereinafter simply referred to as “substrates”) such as semiconductor wafers into which impurities (ions) are implanted, glass substrates for liquid crystal display devices, glass substrates for photomasks, and substrates for optical disks. The present invention relates to a heat treatment method and a heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating flash light.
従来より、不純物注入後の半導体ウェハーの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、半導体ウェハーの不純物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基板を昇温する構成となっている。 Conventionally, a lamp annealing apparatus using a halogen lamp has been generally used in an impurity activation process of a semiconductor wafer after impurity implantation. In such a lamp annealing apparatus, the semiconductor wafer is heated (annealed) to a temperature of about 1000 ° C. to 1100 ° C., for example, to activate the impurities of the semiconductor wafer. In such a heat treatment apparatus, the temperature of the substrate is raised at a rate of several hundred degrees per second by using the energy of light irradiated from the halogen lamp.
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不純物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。 On the other hand, in recent years, as semiconductor devices have been highly integrated, it is desired to reduce the junction depth as the gate length becomes shorter. However, even when the impurity activation of the semiconductor wafer is performed using the above-described lamp annealing apparatus that raises the temperature of the semiconductor wafer at a speed of about several hundred degrees per second, impurities such as boron and phosphorus implanted in the semiconductor wafer are heated. It was found that the phenomenon of deep diffusion occurs. When such a phenomenon occurs, there is a concern that the junction depth becomes deeper than required, which hinders good device formation.
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、不純物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。
Therefore, the surface of the semiconductor wafer into which impurities have been implanted by irradiating the surface of the semiconductor wafer with flash light using a xenon flash lamp (hereinafter simply referred to as “flash lamp” means xenon flash lamp). Has been proposed (for example,
ところで、不純物が打ち込まれた半導体ウェハーの特性を示す代表的な指標としてシート抵抗値Rsが用いられている。不純物の活性化によって半導体ウェハーの表面のシート抵抗値が低下し、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。このため、さらなるシート抵抗値の低下が望まれている。シート抵抗値をより低下させるためには、半導体ウェハーの表面を温度をより高温に昇温すれば良い。 By the way, the sheet resistance value Rs is used as a typical index indicating the characteristics of the semiconductor wafer into which impurities are implanted. The sheet resistance value on the surface of the semiconductor wafer decreases due to the activation of the impurities. Generally, the lower the sheet resistance value, the better the impurity activation process is performed. For this reason, further reduction of the sheet resistance value is desired. In order to further reduce the sheet resistance value, the temperature of the surface of the semiconductor wafer may be raised to a higher temperature.
しかしながら、フラッシュランプからのフラッシュ光照射によって半導体ウェハーの表面到達温度をより高温に昇温するためには、極めて短時間の間にさらに大きな照射エネルギーにてフラッシュ光を照射する必要があり、フラッシュランプやその駆動回路の負荷も大きなものとならざるを得ない。その結果、フラッシュランプの寿命が短くなるという問題も生じる。 However, in order to raise the surface temperature of the semiconductor wafer to a higher temperature by flash light irradiation from the flash lamp, it is necessary to irradiate flash light with a larger irradiation energy in a very short time. In addition, the load on the drive circuit must be large. As a result, there also arises a problem that the life of the flash lamp is shortened.
また、半導体ウェハーの面内におけるフラッシュ光の強度分布は完全に均一ではなく、チャンバー壁面での反射等の影響によって半導体ウェハーの中心部よりも周縁部における強度が強くなる傾向が認められる。その結果、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーの面内温度分布にも中心部よりも周縁部の温度が高くなりやすいバラツキが発生していた。しかも、照射時間が極めて短いフラッシュ光の照射による加熱処理では、面内温度分布のバラツキを解消することは極めて困難である。 In addition, the intensity distribution of the flash light in the plane of the semiconductor wafer is not completely uniform, and it is recognized that the intensity at the peripheral portion is stronger than the central portion of the semiconductor wafer due to the influence of reflection on the chamber wall surface. As a result, the in-plane temperature distribution of the semiconductor wafer at the time of flash light irradiation also has a variation in which the temperature at the peripheral portion tends to be higher than the central portion. In addition, it is extremely difficult to eliminate variations in the in-plane temperature distribution by heat treatment by irradiation with flash light with an extremely short irradiation time.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板表面をより高温かつ均一に昇温してシート抵抗値を低下させることができる熱処理方法および熱処理装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a heat treatment method and a heat treatment apparatus capable of lowering the sheet resistance value by raising the temperature of the substrate surface more uniformly and at a higher temperature.
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、不純物が注入された基板にフラッシュ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、不純物が注入された基板の表面に不均一な膜厚分布を有する光吸収膜の薄膜を形成する薄膜形成工程と、前記薄膜が形成された基板にフラッシュランプからフラッシュ光を照射する光照射工程と、を備え、前記薄膜形成工程は、前記基板の表面に中心部から周縁部に向けて膜厚が連続的に徐々に薄くなる薄膜を形成することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of
また、請求項2の発明は、請求項1の発明に係る熱処理方法において、前記薄膜の中心部と周縁部との膜厚差は8nm以上30nm以下であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the heat treatment method according to the first aspect of the present invention, the film thickness difference between the central portion and the peripheral portion of the thin film is 8 nm or more and 30 nm or less.
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方法において、前記薄膜形成工程は、前記基板の表面に薄膜を堆積する薄膜堆積工程と、前記基板の表面に堆積された薄膜の膜厚が中心部から周縁部に向けて薄くなるように加工する薄膜加工工程と、を有することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the heat treatment method according to the first or second aspect of the invention, the thin film forming step includes a thin film deposition step of depositing a thin film on the surface of the substrate, and a deposition on the surface of the substrate. And a thin film processing step for processing the thin film so that the thickness of the thin film decreases from the central portion toward the peripheral portion.
また、請求項4の発明は、請求項3の発明に係る熱処理方法において、前記薄膜堆積工程は、前記基板の表面に炭素または炭素化合物の薄膜を堆積し、前記薄膜加工工程は、前記基板を加熱しつつ、中心部よりも周縁部に多量の酸素ガスを供給する工程を有することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the heat treatment method according to the third aspect of the present invention, in the thin film deposition step, a thin film of carbon or a carbon compound is deposited on the surface of the substrate, and the thin film processing step is performed on the substrate. It has the process of supplying a large amount of oxygen gas to a peripheral part rather than a center part, heating.
また、請求項5の発明は、請求項1の発明に係る熱処理方法において、前記薄膜形成工程は、前記基板の表面に炭素または炭素化合物の第1薄膜を堆積し、第1薄膜の上に中心部から周縁部に向けて膜厚が薄くなるシリコンナイトライド、多結晶シリコンまたは非晶質シリコンの第2薄膜を形成することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the heat treatment method according to the first aspect of the invention, in the thin film forming step, a first thin film of carbon or a carbon compound is deposited on the surface of the substrate, and the center is formed on the first thin film. A second thin film of silicon nitride, polycrystalline silicon, or amorphous silicon whose film thickness decreases from the portion toward the peripheral portion is formed.
また、請求項6の発明は、不純物が注入された基板にフラッシュ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、不純物が注入された後に炭素または炭素化合物の薄膜が表面に形成された基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて前記基板を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された前記基板を予備加熱する予備加熱手段と、前記保持手段に保持された前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記チャンバー内にて前記保持手段に保持された前記基板の周囲から酸素ガスを供給する酸素ガス供給手段と、前記保持手段に保持された前記基板の下方から前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気手段と、前記保持手段に保持した前記基板を前記予備加熱手段によって加熱し、前記酸素ガス供給手段から酸素ガスを供給しつつ前記排気手段が前記チャンバー内の雰囲気を排気することによって前記基板の表面に形成された薄膜の中心部から周縁部に向けて膜厚を薄くした後に前記フラッシュランプからフラッシュ光を照射させる制御手段と、を備えることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, a thin film of carbon or a carbon compound is formed on the surface of a heat treatment apparatus that heats a substrate into which impurities are implanted by irradiating the substrate with flash light after the impurities are implanted. A chamber for containing the substrate; a holding means for holding the substrate in the chamber; a preheating means for preheating the substrate held in the holding means; and a flash on the substrate held in the holding means A flash lamp for irradiating light; an oxygen gas supply means for supplying oxygen gas from the periphery of the substrate held by the holding means in the chamber; and the chamber from below the substrate held by the holding means An exhaust means for exhausting the atmosphere inside the substrate, and the substrate held by the holding means is heated by the preheating means to supply the oxygen gas. From the flash lamp, the thickness of the thin film formed on the surface of the substrate is reduced from the center to the peripheral edge by the exhaust means exhausting the atmosphere in the chamber while supplying oxygen gas from the means. And a control means for irradiating flash light.
また、請求項7の発明は、請求項6の発明に係る熱処理装置において、フラッシュ光照射時の前記薄膜の中心部と周縁部との膜厚差は8nm以上30nm以下であることを特徴とする。
The invention of claim 7 is the heat treatment apparatus according to the invention of
請求項1から請求項5の発明によれば、不純物が注入された基板の表面に不均一な膜厚分布を有する光吸収膜の薄膜を形成し、その基板にフラッシュランプからフラッシュ光を照射するため、当該薄膜がフラッシュ光を吸収して昇温し、基板表面をより高温に昇温してシート抵抗値を低下させることができる。また、不均一な膜厚分布を有する薄膜によってフラッシュ光の強度分布のバラツキを解消し、基板表面を均一に昇温することができる。さらに、基板の表面に中心部から周縁部に向けて膜厚が連続的に徐々に薄くなる薄膜を形成するため、中心部よりも周縁部における光強度が強くなるフラッシュ光の強度分布のバラツキを解消して基板表面を均一に昇温することができる。 According to the first to fifth aspects of the present invention, a thin film of a light absorption film having a non-uniform film thickness distribution is formed on the surface of a substrate into which impurities are implanted, and the substrate is irradiated with flash light from a flash lamp. Therefore, the thin film absorbs flash light to increase the temperature, and the substrate surface can be heated to a higher temperature to decrease the sheet resistance value. In addition, variations in the intensity distribution of flash light can be eliminated by a thin film having a non-uniform film thickness distribution, and the substrate surface can be heated uniformly. Furthermore, since a thin film is formed on the surface of the substrate with the film thickness gradually and gradually decreasing from the center to the periphery, the variation in the intensity distribution of the flash light in which the light intensity at the periphery is stronger than the center. The temperature of the substrate surface can be uniformly increased by eliminating the temperature.
特に、請求項4の発明によれば、基板の表面に炭素または炭素化合物の薄膜を堆積し、その基板を加熱しつつ、中心部よりも周縁部に多量の酸素ガスを供給しているため、基板の表面に堆積された薄膜の膜厚が中心部から周縁部に向けて薄くなるような加工を容易に行うことができる。
In particular, according to the invention of
特に、請求項5の発明によれば、基板の表面に炭素または炭素化合物の第1薄膜を堆積し、第1薄膜の上に中心部から周縁部に向けて膜厚が薄くなるシリコンナイトライド、多結晶シリコンまたは非晶質シリコンの第2薄膜を形成するため、第1薄膜から炭素系の汚染物質が飛散するのを第2薄膜によって抑制することができる。
In particular, according to the invention of
また、請求項6および請求項7の発明によれば、不純物が注入された後に炭素または炭素化合物の薄膜が表面に形成された基板を予備加熱手段によって加熱し、酸素ガス供給手段から酸素ガスを供給しつつ排気手段がチャンバー内の雰囲気を排気することによって基板の表面に形成された薄膜の中心部から周縁部に向けて膜厚を薄くした後にフラッシュランプからフラッシュ光を照射させるため、当該薄膜がフラッシュ光を吸収して昇温し、基板表面をより高温に昇温してシート抵抗値を低下させることができる。また、中心部から周縁部に向けて膜厚が薄くなる薄膜によって、中心部よりも周縁部における光強度が強くなるフラッシュ光の強度分布のバラツキを解消して基板表面を均一に昇温することができる。
According to the inventions of
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
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にフラッシュ光(閃光)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。
First, the overall configuration of the heat treatment apparatus according to the present invention will be outlined. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a
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。
The
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。
The
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から出射されたフラッシュ光を熱処理空間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。
The
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。
Further, in order to maintain the airtightness of the
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。
The chamber bottom 62 has a plurality (in this embodiment) for supporting the semiconductor wafer W from the lower surface (surface opposite to the side irradiated with light from the lamp house 5) through the holding portion 7. 3) support pins 70 are provided upright. The
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。ゲートバルブ185が搬送開口部66を閉塞することによって熱処理空間65は密閉空間となる。ゲートバルブ185が搬送開口部66を開放すると熱処理空間65への半導体ウェハーWの搬入および搬出が可能となる。
The
また、チャンバー側部63には熱処理空間65に処理ガスを導入するガス導入路81が接続されている。ガス導入路81の先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、基端はガス供給源88に連通接続されている。ガス導入路81の経路途中にはガスバルブ82および流量調整弁85が介挿されている。ガス供給源88は、窒素ガス(N2)、ヘリウムガス(He)、アルゴンガス(Ar)等の不活性ガス、または、酸素ガス(O2)、アンモニアガス(NH3)、オゾンガス(O3)等の反応性ガスをガス導入路81に送給する。ガス供給源88は、これらのガスを択一的に、または、混合して処理ガスとして供給する。
Further, a
図2は、チャンバー6へのガス供給機構を示す部分拡大断面図である。なお、同図においては、支持ピン70は省略している。上述したように、ステンレススチール製のチャンバー側部63の内側面上部には耐フラッシュ特性に優れたアルミニウム合金製のリング631が嵌め込まれている。リング631をチャンバー側部63に嵌め込むことによって、図2に示すように、リング631の下端とチャンバー側部63との間にガス吐出口89が形成されることとなる。図3は、チャンバー6をガス吐出口89の高さ位置で水平面に沿って切断した概略平面図である。リング631とチャンバー側部63との間に形成されたガス吐出口89は水平方向に沿って円環状に形成されたスリットである。円環スリット状のガス吐出口89はチャンバー側部63の内部に形成されたガス導入バッファ83に連通している。そして、ガス導入バッファ83には3本のガス導入路81が連通接続されている。すなわち、ガス導入路81の先端は3本に分岐されてガス導入バッファ83に接続されているのである。3本に分岐されたガス導入路81の先端はチャンバー側部63の円筒周方向に沿って等間隔で(つまり、120°毎に)ガス導入バッファ83に接続される。
FIG. 2 is a partial enlarged cross-sectional view showing a gas supply mechanism to the
ガスバルブ82を開放することによって処理ガスはガス供給源88からガス導入路81に送給され、3方向からガス導入バッファ83へと導かれる。処理ガスの供給流量は流量調整弁85によって定められる。ガス導入バッファ83に流入した処理ガスは、図3に示すように、ガス吐出口89よりも流路抵抗の小さいガス導入バッファ83内を拡がるように流れつつガス吐出口89から熱処理空間65内へと均一に吐出される。
By opening the
図1に戻り、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を水平姿勢にて載置して保持しつつフラッシュ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。
Returning to FIG. 1, the
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。
A
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6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。
The
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。
On the upper surface of the moving
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。
The holding
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(図示省略)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。
A telescopic bellows 47 that surrounds the
ベローズ下端板471には熱処理空間65内の気体を排出するためのガス排気口472が形成されている。ガス排気口472は、下部開口64の直下に、すなわちチャンバー6の底部中心近傍に設けられているものである。ガス排気口472はガスバルブ473および流量調整弁475を介して排気ポンプ474と連通接続されている。排気ポンプ474を作動させつつガスバルブ473を開放すると、チャンバー6内の気体は下部開口64からガス排気口472を介してチャンバー外に排出される。また、搬送開口部66にも熱処理空間65内の気体を排出する排出路86が形成され、ガスバルブ87を介して図示省略の排気機構に接続される。この排気機構は上記の排気ポンプ474と共通のものであっても良い。
The bellows
ガス吐出口89からチャンバー6内の熱処理空間65へ処理ガスを吐出しつつ、ガス排気口472からチャンバー6内の雰囲気を排気すると、チャンバー側部63の内側から吐出された処理ガスがチャンバー底部62の中心部に向かうようなガス流が熱処理空間65に形成される。
When the atmosphere in the
図4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よりも大きな径の略円板状を有する。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。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the holding unit 7. The holding part 7 has a substantially disk shape with a larger diameter than the semiconductor wafer W. The holding unit 7 is installed on a hot plate (heating plate) 71 that preheats the semiconductor wafer W (so-called assist heating), and an upper surface of the hot plate 71 (a surface on the side where the holding unit 7 holds the semiconductor wafer W). The
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。
The
図5は、ホットプレート71を示す平面図である。図5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。
FIG. 5 is a plan view showing the
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。
In each of the six
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。
When the
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プレート電源98(図7参照)に接続されている。プレート電源98から各ゾーンに至る経路途中において、プレート電源98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。
The
次に、ランプハウス5は、チャンバー6の上方に設けられている。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からフラッシュ光を照射することにより半導体ウェハーWを加熱する。
Next, the
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。複数のフラッシュランプFLの配列によって形成される平面の平面エリアは少なくとも保持部7に保持される半導体ウェハーWよりも大きい。 Each of the plurality of flash lamps FL is a rod-shaped lamp having a long cylindrical shape, and the longitudinal direction of each of the flash lamps FL is along the main surface of the semiconductor wafer W held by the holding unit 7 (that is, along the horizontal direction). They are arranged in a plane so as to be parallel to each other. Therefore, the plane formed by the arrangement of the flash lamps FL is also a horizontal plane. The plane area of the plane formed by the arrangement of the plurality of flash lamps FL is at least larger than the semiconductor wafer W held by the holding unit 7.
キセノンフラッシュランプFLは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設された棒状のガラス管(放電管)と、該ガラス管の外周面上に付設されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、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。このようなキセノンフラッシュランプFLにおいては、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが0.1ミリセカンドないし100ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。フラッシュランプFLの発光時間は、フラッシュランプFLに電力供給を行うランプ電源99(図7参照)のコイル定数によって調整することができる。 The xenon flash lamp FL has a rod-shaped glass tube (discharge tube) in which xenon gas is sealed and an anode and a cathode connected to a capacitor at both ends thereof, and an outer peripheral surface of the glass tube. And a triggered electrode. Since xenon gas is an electrical insulator, electricity does not flow into the glass tube under normal conditions even if electric charges are accumulated in the capacitor. However, when the insulation is broken by applying a high voltage to the trigger electrode, the electricity stored in the capacitor flows instantaneously in the glass tube, and light is emitted by excitation of atoms or molecules of xenon at that time. In such a xenon flash lamp FL, the electrostatic energy stored in the capacitor in advance is converted into an extremely short light pulse of 0.1 millisecond to 100 millisecond. It has the feature that it can irradiate strong light. The light emission time of the flash lamp FL can be adjusted by the coil constant of a lamp power source 99 (see FIG. 7) that supplies power to the flash lamp FL.
また、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から出射されたフラッシュ光を保持部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。
In addition, the
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。図7は、制御部3の構成を示すブロック図である。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CPU31、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ROM32、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるRAM33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34をバスライン39に接続して構成されている。
The control unit 3 controls the various operation mechanisms provided in the
また、バスライン39には、チャンバー6内にて保持部7を昇降させる保持部昇降機構4のモータ40、フラッシュランプFLに電力供給を行うランプ電源99、チャンバー6内への処理ガスの給排を行うガスバルブ82,87,473、流量調整弁85,475、搬送開口部66を開閉するゲートバルブ185、ホットプレート71のゾーン711〜716への電力供給を行うプレート電源98および排気ポンプ474等が電気的に接続されている。制御部3のCPU31は、磁気ディスク34に格納された制御用ソフトウェアを実行することにより、これらの各動作機構を制御して、半導体ウェハーWの加熱処理を進行する。
Further, the
さらに、バスライン39には、表示部35および入力部36が電気的に接続されている。表示部35は、例えば液晶ディスプレイ等を用いて構成されており、処理結果やレシピ内容等の種々の情報を表示する。入力部36は、例えばキーボードやマウス等を用いて構成されており、コマンドやパラメータ等の入力を受け付ける。装置のオペレータは、表示部35に表示された内容を確認しつつ入力部36からコマンドやパラメータ等の入力を行うことができる。なお、表示部35と入力部36とを一体化してタッチパネルとして構成するようにしても良い。
Further, the display unit 35 and the
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1,6参照)。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。
In addition to the above configuration, the
次に、半導体ウェハーWの処理手順について説明する。図8は、半導体ウェハーWに対する処理フローの一部を示すフローチャートである。まず、シリコン基板11(図10参照)の表面にフォトリソグラフィー技術を用いてパターンを形成し、ソース・ドレイン領域にボロン(B)やヒ素(As)等の不純物(イオン)を注入する(ステップS101)。不純物の注入はイオン打ち込み法によって実行される。 Next, a processing procedure for the semiconductor wafer W will be described. FIG. 8 is a flowchart showing a part of the processing flow for the semiconductor wafer W. First, a pattern is formed on the surface of the silicon substrate 11 (see FIG. 10 ) using a photolithography technique, and impurities (ions) such as boron (B) and arsenic (As) are implanted into the source / drain regions (step S101). ). Impurity implantation is performed by an ion implantation method.
次に、不純物が注入されたシリコン基板11の表面に炭素(C)の薄膜12を形成する(ステップS102)。炭素の薄膜12の形成には公知の種々の手法を採用することができ、例えばプラズマ蒸着によって炭素を堆積して薄膜12を製膜するようにすれば良い。図10は、シリコン基板11の表面に炭素の薄膜12を形成した直後の半導体ウェハーWの断面図である。本実施形態においては、イオン打ち込み法によって不純物が注入されたシリコン基板11の表面にプラズマ蒸着によってアモルファス炭素の薄膜12を堆積・形成している。プラズマ蒸着によって堆積された直後の薄膜12の膜厚はシリコン基板11の面内において概ね均一であり、本実施形態においては、シリコン基板11の表面に堆積させるアモルファス炭素の薄膜12の膜厚(膜厚の初期値)を100nm以上としている。なお、図10に示すように、炭素の薄膜12はシリコン基板11の側端部にも若干回り込んで形成されている。
Next, a carbon (C)
次に、炭素の薄膜12が堆積された半導体ウェハーWを熱処理装置1に搬入し、炭素薄膜12の加工(ステップS103)および半導体ウェハーWに対する光照射熱処理(ステップS104)が実行される。炭素薄膜加工処理および光照射熱処理についてはさらに後述する。
Next, the semiconductor wafer W on which the carbon
熱処理装置1での光照射熱処理が終了した半導体ウェハーWには洗浄処理が行われる(ステップS105)。ここでの洗浄処理は、いわゆるSPM洗浄(硫酸と過酸化水素水との混合液を用いた洗浄)およびAPM洗浄(アンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いた洗浄)である。この洗浄処理によってシリコン基板11の表面から炭素の薄膜12を完全に除去する。なお、本明細書において「半導体ウェハーW」は、表面に薄膜形成がなされていないシリコン基板11および表面に薄膜12が形成されたシリコン基板11の双方を含む。
The semiconductor wafer W that has been subjected to the light irradiation heat treatment in the
図9は、熱処理装置1における半導体ウェハーWの処理手順を示すフローチャートである。本実施形態においては、熱処理装置1にて炭素薄膜12の加工とそれに続く光照射熱処理の双方を行っている。図9に示す半導体ウェハーW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って実行される。
FIG. 9 is a flowchart showing a processing procedure for the semiconductor wafer W in the
まず、保持部7が図6に示す処理位置から図1に示す受渡位置に下降する(ステップS111)。「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6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。
First, the holding unit 7 is lowered from the processing position shown in FIG. 6 to the delivery position shown in FIG. 1 (step S111). The “processing position” is the position of the holding unit 7 when the semiconductor wafer W is irradiated with light from the flash lamp FL, and is the position in the
保持部7はチャンバー6に固定設置された支持ピン70に対して昇降するものであり、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。
The holding unit 7 is moved up and down with respect to the
次に、保持部7が受渡位置に下降した後、ガスバルブ82が開かれてガス供給源88からチャンバー6の熱処理空間65内に不活性ガス(本実施形態では、窒素ガス)が供給される。それと同時に、ガスバルブ87,473が開かれて熱処理空間65内の気体が排気される(ステップS112)。ガス吐出口89からチャンバー6内に供給された窒素ガスは、熱処理空間65においてチャンバー底部62の中心に位置する下部開口64に向かって下方へと流れ、ガス排気口472からチャンバー外に排気される。また、チャンバー6に供給された窒素ガスの一部は、排出路86からも排気される。
Next, after the holding unit 7 is lowered to the delivery position, the
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を介して表面に炭素の薄膜12が形成された半導体ウェハー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(ステップS113)。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(ステップS114)。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。処理位置に保持された半導体ウェハーWはガス吐出口89よりも若干上方に位置している。
Subsequently, the
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(ステップS115)。
Each of the six
この予備加熱によって半導体ウェハー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おそれのない、200℃ないし600℃程度、好ましくは350℃ないし550℃程度とされる(本実施形態では500℃)。また、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。
By this preheating, the temperature of the semiconductor wafer W rises to a preset preheating temperature T1. The preheating temperature T1 is set to about 200 ° C. to 600 ° C., preferably about 350 ° C. to 550 ° C. (in this embodiment, 500 ° C.) at which impurities added to the semiconductor wafer W are not likely to diffuse due to heat. Further, the distance between the holding unit 7 and the
また、処理位置にて半導体ウェハーWの予備加熱が行われるのと並行して、チャンバー6の熱処理空間65に酸素ガスが導入される(ステップS116)。すなわち、ガス供給源88からガス導入路81を経由して熱処理空間65に酸素ガスが供給される。このときに、酸素ガスのみを供給しても良いし、酸素ガスを窒素ガスに混合した混合ガスとして供給するようにしても良い。ガス供給源88から熱処理空間65に供給される酸素ガスの流量は制御部3が流量調整弁85を制御することによって調整される。
In parallel with the preheating of the semiconductor wafer W at the processing position, oxygen gas is introduced into the
また、熱処理空間65に酸素ガスが供給されるとともに、チャンバー6内の雰囲気の排気も継続して行われている(ステップS117)。すなわち、ガスバルブ473が開かれて熱処理空間65内の気体がガス排気口472から排気されている。ガス排気口472からの排気流量は制御部3が流量調整弁475を制御することによって調整される。チャンバー6内の雰囲気の一部は排出路86からも排気されている。なお、排出路86から排気される排気流量よりもガス排気口472からの排気流量の方が顕著に多量である。
In addition, oxygen gas is supplied to the
図11は、チャンバー6内に形成される気流を示す概略図である。ガス吐出口89は処理位置の保持部7よりも若干下方にてチャンバー側部63に(正確にはチャンバー側部63とリング631との間に)水平方向に沿って円環状に形成されたスリットである。よって、ガス吐出口89は処理位置の保持部7に保持された半導体ウェハーWの周囲を取り囲むようにスリット状に形成されており、当該半導体ウェハーWの周囲から酸素ガスを含む気体が均一に供給されることとなる。一方、チャンバー6内の雰囲気はチャンバー底部62の中心、つまり保持部7の中心近傍直下に位置する下部開口64を経てガス排気口472から排気される。従って、チャンバー6内の雰囲気は処理位置の保持部7に保持された半導体ウェハーWの下方から排気されることとなる。
FIG. 11 is a schematic view showing the airflow formed in the
上述のような給排気が行われた結果、チャンバー6の内部には図11に示すような酸素ガスを含む気流が形成される。スリット状のガス吐出口89から吐出された酸素ガスを含む気流の多くは処理位置の保持部7の下側から下部開口64に向けて流れるものの、一部は保持部7の上側(つまり半導体ウェハーWの表面側)にも流れ込む。チャンバー6の内部においては、下部開口64の周辺が負圧となっているため、保持部7の上側に流れ込んだ気流もやがては保持部7の側方を通過して下部開口64に向けて流れる。その結果、酸素ガスを含む気流は、半導体ウェハーWの周縁部にはある程度供給され続けるものの、中心部近傍にはほとんど到達しない。すなわち、処理位置の保持部7に保持された半導体ウェハーWの中心部よりも周縁部により多量の酸素ガスが供給されることとなる。
As a result of the supply and exhaust as described above, an air flow containing oxygen gas as shown in FIG. 11 is formed inside the
予備加熱温度T1にまで昇温された半導体ウェハーWの表面に酸素ガスが供給されると、薄膜12の炭素と酸素とが反応して二酸化炭素(CO2)または一酸化炭素(CO)が生成される。これによって薄膜12の炭素が気化されて消費され、薄膜12の膜厚が低下する。すなわち、予備加熱されている半導体ウェハーWに酸素ガスを供給することによって炭素の薄膜12がエッチングされるのである。なお、生成した炭素の酸化物は気体であるため、チャンバー6内の雰囲気とともにガス排気口472および排出路86から熱処理装置1の外部へと排気される。
When oxygen gas is supplied to the surface of the semiconductor wafer W heated up to the preheating temperature T1, carbon and oxygen in the
このときに、半導体ウェハーWの中心部よりも周縁部により多量の酸素ガスが供給されているため、中心部よりも周縁部の方が炭素の消費速度(つまり薄膜12のエッチングレート)が次第に大きくなる。その結果、シリコン基板11の表面に堆積されたアモルファス炭素の薄膜12の膜厚が中心部から周縁部に向けて連続的に(アナログ的に)徐々に薄くなるような加工が施されることとなり、これが図8のステップS103の炭素薄膜加工である。
At this time, since a larger amount of oxygen gas is supplied to the peripheral portion than to the central portion of the semiconductor wafer W, the carbon consumption rate (that is, the etching rate of the thin film 12) is gradually increased in the peripheral portion. Become. As a result, processing is performed so that the film thickness of the amorphous carbon
処理位置の保持部7に保持されて予備加熱されている半導体ウェハーWに上述の如く酸素ガスを供給した状態にて所定時間待機する(ステップS118)。待機時間は予備加熱温度T1によって異なり、予備加熱温度T1が低いほど長くする必要がある。本実施形態においては、予備加熱温度T1が500℃であり、この場合待機時間は2分〜3分とする。これによって炭素の薄膜12の膜厚が中心部から周縁部に連続的に向けて漸次薄くなるような加工が進行し、中心部と周縁部との膜厚差が所定値以上となる。
The process waits for a predetermined time in a state where the oxygen gas is supplied to the semiconductor wafer W held by the holding unit 7 at the processing position and preheated (step S118). The waiting time varies depending on the preheating temperature T1, and it is necessary to increase the waiting time as the preheating temperature T1 is lower. In the present embodiment, the preheating temperature T1 is 500 ° C. In this case, the standby time is 2 minutes to 3 minutes. As a result, processing is performed such that the film thickness of the carbon
図12は、炭素の薄膜12に加工が施された後の半導体ウェハーWの断面図である。予備加熱されている半導体ウェハーWの表面に中心部よりも周縁部に多量の酸素ガスを供給することによって、薄膜12の膜厚が中心部から周縁部に向けて薄くなるような加工が施され、シリコン基板11の表面には中心部から周縁部に向けて膜厚が連続的に徐々に薄くなる薄膜12(凸レンズ状の薄膜)が形成される。ステップS118の所定の待機時間が経過した時点において、炭素の薄膜12の中心部の膜厚tcと周縁部の膜厚teとの膜厚差tdが8nm以上30nm以下となるようにしている。本実施形態では、薄膜12の中心部の膜厚tcが約80nmであり、周縁部の膜厚teが約70nmである。
FIG. 12 is a cross-sectional view of the semiconductor wafer W after the carbon
ステップS118の所定の待機時間が経過した時点にて、保持部7が処理位置に位置したまま制御部3の制御によりランプハウス5のフラッシュランプFLから半導体ウェハーWへ向けてフラッシュ光が照射される(ステップS119)。このとき、フラッシュランプFLから放射されるフラッシュ光の一部は直接にチャンバー6内の保持部7へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ52により反射されてからチャンバー6内へと向かい、これらのフラッシュ光の照射により半導体ウェハーWのフラッシュ加熱が行われる。フラッシュ加熱は、フラッシュランプFLからの閃光照射により行われるため、半導体ウェハーWの表面温度を短時間で上昇することができる。
When the predetermined standby time in step S118 has elapsed, flash light is emitted from the flash lamp FL of the
すなわち、ランプハウス5のフラッシュランプFLから照射されるフラッシュ光は、予め蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が0.1ミリセカンド以上100ミリセカンド以下程度の極めて短く強い閃光である。そして、フラッシュランプFLからの閃光照射によりフラッシュ加熱される半導体ウェハーWの表面温度(正確には炭素の薄膜12の表面温度)は、瞬間的に処理温度T2まで上昇し、半導体ウェハーWに注入された不純物が活性化された後、表面温度が急速に下降する。このように、熱処理装置1では、半導体ウェハーWの表面温度を極めて短時間で昇降することができるため、半導体ウェハーWに注入された不純物の熱による拡散を抑制しつつ不純物の活性化を行うことができる。なお、不純物の活性化に必要な時間はその熱拡散に必要な時間に比較して極めて短いため、0.1ミリセカンドないし100ミリセカンド程度の拡散が生じない短時間であっても活性化は完了する。この処理が、図8のステップS104の光照射熱処理である。
That is, the flash light irradiated from the flash lamp FL of the
また、処理対象となる半導体ウェハーWの表面には炭素の薄膜12が形成されている。このような炭素の薄膜12の膜厚が厚くなるにしたがって半導体ウェハーWの表面反射率が低下し、膜厚70nmでは約60%程度となる。表面反射率の低下は、半導体ウェハーWのフラッシュ光吸収率の上昇、より具体的には炭素の薄膜12のフラッシュ光吸収率が増大していることを意味している。なお、キセノンフラッシュランプFLからのフラッシュ光の放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、シリコン基板11をほとんど透過しない。
A carbon
炭素の薄膜12の膜厚増加に伴う半導体ウェハーWの表面反射率の低下は、膜厚が厚くなるにしたがって薄膜12自体のフラッシュ光吸収率が高まることによるものである。すなわち、炭素の薄膜12がある程度以上に厚くなると、照射されたフラッシュ光の一部が薄膜12に吸収される。その吸収率は薄膜12の膜厚が厚くなるほど大きくなる。フラッシュ光を吸収した炭素の薄膜12の表面では熱が発生し、その熱がシリコン基板11の表面に伝導する。
The decrease in the surface reflectance of the semiconductor wafer W accompanying the increase in the film thickness of the carbon
このように、ある一定以上の膜厚を有する炭素の薄膜12は光吸収膜として機能し、半導体ウェハーWのフラッシュ光吸収率を高める。そして、半導体ウェハーWのフラッシュ光吸収率が高まった結果、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーWの表面到達温度(厳密には不純物が注入されているシリコン基板11の表面到達温度)は薄膜12が形成されていないときよりも上昇し、より良好な不純物の活性化処理が行われることとなる。
Thus, the carbon
特に、本実施形態においては、半導体ウェハーWの中心部から周縁部に向けて膜厚が連続的に徐々に薄くなる薄膜12を形成している。このため、半導体ウェハーWの周縁部よりも中心部の方がフラッシュ光の吸収率は高くなる。その一方、既述したように、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーWの面内におけるフラッシュ光の強度分布は完全に均一ではなく、チャンバー側部63での反射等の影響によって半導体ウェハーWの中心部よりも周縁部における光強度が強くなる傾向が存在する。すなわち、フラッシュ光照射時における光強度が強くなる半導体ウェハーWの周縁部ではフラッシュ光の吸収率が低く、逆に光強度が弱くなる半導体ウェハーWの中心部ではフラッシュ光の吸収率が高くなる。その結果、光吸収膜としての薄膜12による昇温の程度は半導体ウェハーWの面内において概ね均一となり、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーWの面内温度分布を均一にすることができる。このように、半導体ウェハーWの中心部から周縁部に向けて膜厚が連続的に徐々に薄くなる薄膜12を形成することにより、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーWの表面をより高温かつ均一に昇温して良好な不純物の活性化処理を行うことができ、シート抵抗値も均一に低下させることができる。
In particular, in the present embodiment, the
ここで、薄膜12の中心部の膜厚tcと周縁部の膜厚teとの膜厚差tdを8nm以上30nm以下としているのは、以下の理由による。膜厚差tdが8nm未満であると、上述したような周縁部よりも中心部のフラッシュ光吸収率を高める効果がほとんど得られず、フラッシュ光照射時に光強度の強い半導体ウェハーWの周縁部の方が中心部よりも高温となる。逆に、膜厚差tdが30nmより大きいと、周縁部よりも中心部のフラッシュ光吸収率が高くなりすぎ、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーWの中心部の方が周縁部よりも高温となる。すなわち、薄膜12の中心部と周縁部との膜厚差tdが8nm以上30nm以下の範囲から外れると、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーWの面内温度分布を均一にすることが困難となるのである。
Here, the film thickness difference t d between the film thickness t c at the center of the
また、フラッシュランプFLから照射されたフラッシュ光は炭素の薄膜12に一旦吸収されて薄膜12にて熱が発生し、その熱がシリコン基板11の表面に伝導することとなる。このため、シリコン基板11の表面にパターン形成にともなう吸収率のバラツキが存在していたとしても、薄膜12が形成されていない場合と比較して吸収率のバラツキは緩和され、不純物が注入されているシリコン基板11の表面は均一に加熱されることとなる。
The flash light emitted from the flash lamp FL is once absorbed by the carbon
また、フラッシュランプFLからフラッシュ光を照射する時点においても、ガス吐出口89からチャンバー6内に酸素ガスが供給されるとともに、ガス排気口472からチャンバー6内の雰囲気が排気され続けている。このため、フラッシュ光照射によって加熱された薄膜12の炭素と酸素とが反応して二酸化炭素(CO2)または一酸化炭素(CO)が生成される。これによって薄膜12の炭素が気化されて消費され、薄膜12の膜厚が低下する。すなわち、フラッシュ光照射時に炭素の薄膜12を光吸収膜として機能させると同時に、チャンバー6内に酸素を導入することによって炭素の薄膜12の剥離処理をも行っているのである。なお、生成した炭素の酸化物は気体であるため、チャンバー6内の雰囲気とともにガス排気口472および排出路86から熱処理装置1の外部へと排気される。
Further, even when the flash light is irradiated from the flash lamp FL, oxygen gas is supplied from the
上述のようなフラッシュ加熱が終了して所定時間(数秒)が経過した時点で再びガス供給源88から熱処理空間65に窒素ガスを供給するとともに、ガス排気口472および排出路86から熱処理空間65内の酸素ガスを含む気体を排気する。これによって、チャンバー6内の雰囲気が窒素ガスに置換される(ステップS120)。
Nitrogen gas is again supplied from the
その後、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(ステップS121)。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のフラッシュ加熱処理(アニール処理)が完了する(ステップS122)。
Thereafter, the holding unit 7 is lowered again to the delivery position shown in FIG. 1 by the holding
以上のように、本実施形態においては、半導体ウェハーWの表面に炭素の薄膜12を形成することによってその炭素薄膜12にフラッシュ光を吸収させている。フラッシュ光を吸収することによって炭素の薄膜12が昇温し、薄膜12が形成されていない場合に比較して不純物が注入されているシリコン基板11の表面をより高温に昇温してシート抵抗値を低下させることができる。
As described above, in the present embodiment, by forming the carbon
特に、本実施形態においては、半導体ウェハーWを予備加熱しつつ、その表面に中心部よりも周縁部に多量の酸素ガスを供給することによって、炭素の薄膜12の膜厚が中心部から周縁部に向けて薄くなるような加工を行っている。このため、半導体ウェハーWの表面にはフラッシュ光強度が弱くなる中心部からフラッシュ光強度が強くなる周縁部に向けて膜厚が連続的に徐々に薄くなる薄膜12が形成される。これにより、フラッシュ光の強度分布のバラツキが補償され、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーWの面内温度分布を均一にすることができ、半導体ウェハーWの表面をより高温かつ均一に昇温してシート抵抗値を低下させることができる。また、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーWの面内温度分布を均一にすることによって、半導体ウェハーWの割れを抑制することもできる。さらに、薄膜12の膜厚は連続的に薄くなるため、半導体ウェハーWの面内において光吸収率が急激に変化することは無く、半導体ウェハーWの面内温度分布をより均一にすることができる。
In particular, in the present embodiment, while preheating the semiconductor wafer W, a larger amount of oxygen gas is supplied to the peripheral portion than the central portion to the surface thereof, so that the film thickness of the carbon
また、チャンバー6内に酸素ガスを供給しつつ、炭素の薄膜12が形成された半導体ウェハーWにフラッシュ光を照射しているため、加熱された薄膜12の炭素が酸化されて気化することにより消費される。これによって、フラッシュ加熱時に炭素の薄膜12の剥離処理が進行することとなり、続く洗浄処理工程(図8のステップS105)において通常のSPM洗浄およびAPM洗浄のみによって炭素の残膜を除去することができる。チャンバー6内が窒素ガス等の不活性ガス雰囲気のままフラッシュ光を照射した場合には、薄膜12の炭素が消費されないためフラッシュ加熱後も当初の膜厚が概ねそのまま維持される。この場合、通常のSPM洗浄やAPM洗浄のみでは十分に薄膜12を除去することができず、ステップS105の洗浄処理工程の前に別途アッシング処理工程を行う必要がある。本実施形態のように、チャンバー6内に酸素ガスを供給しつつフラッシュ光照射を行えば、フラッシュ加熱時に薄膜12の剥離処理をも同時に行うことができ、アッシング処理工程を省略して通常の洗浄処理のみによって残膜を確実に除去することができる。なお、フラッシュ光照射時に炭素の薄膜12の全てが気化することは無く、残膜はシリコン基板11の表面の酸化防止膜としても機能することとなる。
Further, since the semiconductor wafer W on which the carbon
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、上記実施形態においては、薄膜12の膜厚が中心部から周縁部に向けて薄くなるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュ光の強度分布のバラツキを補償する薄膜12の膜厚分布とすれば良い。例えば、半導体ウェハーWの周縁部よりも中心部における光強度が強くなるような強度分布が存在するのであれば、上記実施形態とは逆に、薄膜12の膜厚が周縁部から中心部に向けて薄くなるように(凹レンズ状に)すれば良い。すなわち、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーWの面内におけるフラッシュ光の強度分布のバラツキを補償するように、より具体的にはフラッシュ光強度が強くなる位置における膜厚が薄くなるような不均一な膜厚分布を有する薄膜を形成すれば良い。
While the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be modified in various ways other than those described above without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above embodiment, the thickness of the
また、上記実施形態においては、半導体ウェハーWを予備加熱しつつ、その表面に中心部よりも周縁部に多量の酸素ガスを供給することによって、炭素の薄膜12の膜厚が中心部から周縁部に向けて薄くなるような加工を行っていたが、炭素薄膜12の加工方法はこれに限定されるものではない。例えば、径の異なる複数のフラッシュランプを同心円状にランプハウス5に配置し、半導体ウェハーWの表面に酸素ガスを供給しつつ、その周縁部のみに弱いフラッシュ光照射を行って膜厚差をつけるようにしても良い。この場合、炭素の薄膜12を加工するための弱いフラッシュ光照射を行った後、図9のステップS119と同様の不純物活性化のためのフラッシュ光照射を行う。或いは、半導体ウェハーWを予備加熱する保持部7のホットプレート71は、同心円状に配置された複数のゾーンに分割されているため(図5参照)、半導体ウェハーWの表面に酸素ガスを供給しつつ、その中心部よりも周縁部の方が高温となるような予備加熱を行って膜厚差をつけるようにしても良い。具体的には、予備加熱において、ゾーン711よりもゾーン712が高温となり、ゾーン712よりもゾーン713〜716が高温となるように制御部3がプレート電源98を制御する。
Moreover, in the said embodiment, while preheating the semiconductor wafer W, by supplying a large amount of oxygen gas to the peripheral part rather than the central part to the surface, the film thickness of the carbon
また、炭素の薄膜12が堆積された半導体ウェハーW(図10の状態のウェハー)を熱処理装置1に搬入する前に炭素薄膜加工を別途行うようにしても良い。例えば、炭素の薄膜12が堆積された半導体ウェハーWをベベルエッチングを行う装置に搬入し、半導体ウェハーWの周縁部のみをフッ酸等を用いてエッチングするようにしても良い。また、シリコン基板11の表面にプラズマ蒸着を行う段階にて半導体ウェハーWの中心部から周縁部に向けて膜厚が徐々に薄くなる薄膜12を堆積するようにしても良い。
Further, the carbon thin film processing may be separately performed before the semiconductor wafer W (the wafer in the state of FIG. 10) on which the carbon
また、上記実施形態においては、不純物が注入されたシリコン基板11の表面にアモルファス炭素の薄膜12を形成していたが、アモルファス炭素に代えて結晶構造を有する炭素(例えば、グラファイト)にて薄膜12を形成するようにしても良い。結晶構造を有する炭素にて薄膜12を形成するようにしても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。もっとも、アモルファス炭素にて薄膜12を形成するようにした方がフラッシュ加熱時に酸化されやすく薄膜12の剥離処理が進行しやすい。
In the above embodiment, the amorphous carbon
また、炭素化合物にて薄膜12を形成するようにしても良い。光吸収膜としての薄膜12を形成するのに適した炭素化合物としては、特に有機化合物が挙げられ、炭素と水素、或いはそれらに加えて酸素を含む化合物が好適である。すなわち、不純物が注入されたシリコン基板11の表面に炭素または炭素化合物の薄膜12を形成する形態であれば良い。
Moreover, you may make it form the
また、シリコン基板11の表面に形成する薄膜12の材質は炭素に限定されるものではなく、フラッシュ光を吸収する物性を有するものであれば良い。例えば、薄膜12をシリコンナイトライド(SiN)にて形成するようにしても良いし、メタル系反射膜・吸収膜にて形成するようにしても良い。メタル系の反射膜としては、多結晶シリコン+ゲルマニウム(Ge)、多結晶シリコン+ヒ素(As)、MgF2、CaF2、SiGe、Ge、GaAs、InSb、Cr、Mo、Nb、Zr、Y、Ti、LaとO,NまたはCとの化合物、AlNを用いることができる。また、メタル系の吸収膜としては、結晶化したCにHまたはOが含まれるSiO2、SiON、Si3N4を用いることができる。薄膜12をこれらの材質にて形成したとしても、半導体ウェハーWの中心部から周縁部に向けて膜厚が徐々に薄くなる薄膜12を形成すれば、半導体ウェハーWの周縁部よりも中心部の方がフラッシュ光の吸収率は高くなる。その結果、上記実施形態と同様に、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーWの面内温度分布を均一にすることができる。もっとも、薄膜12をシリコンナイトライドまたはメタル系反射膜にて形成した場合、加熱と酸素ガス供給とによって薄膜12の加工を行うことはできないため、熱処理装置1に搬入する前にフッ酸を用いたベベルエッチング等によって膜厚差をつける加工を行っておく必要がある。
The material of the
また、シリコン基板11の表面に複数層の薄膜を形成するようにしても良い。図13は、シリコン基板11の表面に2層の薄膜を形成した半導体ウェハーWの断面図である。上記実施形態と同様に、イオン打ち込み法によって不純物が注入されたシリコン基板11の表面にプラズマ蒸着によって炭素または炭素化合物の薄膜12a(第1薄膜)を堆積して製膜し、さらにその上に中心部から周縁部に向けて膜厚が薄くなる多結晶シリコン(polysilicon)の薄膜12b(第2薄膜)を形成している。多結晶シリコンの膜厚加工はフッ酸を用いたベベルエッチング等によって行うことができる。このようにしても、半導体ウェハーWの周縁部よりも中心部の方がフラッシュ光の吸収率は高くなり、フラッシュ光照射時の半導体ウェハーWの面内温度分布を均一にすることができる。さらに、フラッシュ光照射時に、下層の薄膜12aから炭素系の汚染物質が飛散するのを上層の薄膜12bによって抑制することができ、そのような汚染物質がチャンバー6内の構造物に付着するのを防止することができる。図13において、薄膜12bを非晶質シリコン(amorphous silicon)またはシリコンナイトライドにて形成しても同様の効果を得ることができる。
Further, a plurality of thin films may be formed on the surface of the
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。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態においては、ホットプレート71を含む保持部7からの伝熱によって半導体ウェハーWの予備加熱を行っていたが、チャンバー6の底部にハロゲンランプを設け、そのハロゲンランプからの光照射によって半導体ウェハーWの予備加熱を行うようにしても良い。ハロゲンランプからの光照射によって半導体ウェハーWを予備加熱しつつ、その表面に中心部よりも周縁部に多量の酸素ガスを供給することによって、炭素の薄膜12の膜厚が中心部から周縁部に向けて薄くなるような加工を行うようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
In the above embodiment, the semiconductor wafer W is preheated by heat transfer from the holding unit 7 including the
また、本発明に係る技術は、シリコン膜が形成されたガラス基板に対して適用することもできる。 The technique according to the present invention can also be applied to a glass substrate on which a silicon film is formed.
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
11 シリコン基板
12,12a,12b 薄膜
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
81 ガス導入路
82,87,473 ガスバルブ
85,475 流量調整弁
88 ガス供給源
89 ガス吐出口
99 ランプ電源
472 ガス排気口
474 排気ポンプ
FL フラッシュランプ
W 半導体ウェハー
DESCRIPTION OF
Claims (7)
不純物が注入された基板の表面に不均一な膜厚分布を有する光吸収膜の薄膜を形成する薄膜形成工程と、
前記薄膜が形成された基板にフラッシュランプからフラッシュ光を照射する光照射工程と、
を備え、
前記薄膜形成工程は、前記基板の表面に中心部から周縁部に向けて膜厚が連続的に徐々に薄くなる薄膜を形成することを特徴とする熱処理方法。 A heat treatment method for heating a substrate by irradiating flash light onto the substrate into which impurities are implanted,
A thin film forming step of forming a thin film of a light absorption film having a non-uniform film thickness distribution on the surface of the substrate into which impurities are implanted;
A light irradiation step of irradiating flash light from a flash lamp onto the substrate on which the thin film is formed;
With
The thin film forming step forms a thin film having a film thickness that gradually and gradually decreases from the center to the periphery on the surface of the substrate.
前記薄膜の中心部と周縁部との膜厚差は8nm以上30nm以下であることを特徴とする熱処理方法。 The heat treatment method according to claim 1,
The film thickness difference between the central portion and the peripheral portion of the thin film is 8 nm or more and 30 nm or less.
前記薄膜形成工程は、
前記基板の表面に薄膜を堆積する薄膜堆積工程と、
前記基板の表面に堆積された薄膜の膜厚が中心部から周縁部に向けて薄くなるように加工する薄膜加工工程と、
を有することを特徴とする熱処理方法。 In the heat processing method of Claim 1 or Claim 2,
The thin film forming step includes
A thin film deposition step of depositing a thin film on the surface of the substrate;
A thin film processing step of processing so that the film thickness of the thin film deposited on the surface of the substrate becomes thinner from the central part toward the peripheral part;
The heat processing method characterized by having.
前記薄膜堆積工程は、前記基板の表面に炭素または炭素化合物の薄膜を堆積し、
前記薄膜加工工程は、前記基板を加熱しつつ、中心部よりも周縁部に多量の酸素ガスを供給する工程を有することを特徴とする熱処理方法。 In the heat processing method of Claim 3,
The thin film deposition step deposits a carbon or carbon compound thin film on the surface of the substrate,
The thin film processing step includes a step of supplying a larger amount of oxygen gas to a peripheral portion than a central portion while heating the substrate.
前記薄膜形成工程は、前記基板の表面に炭素または炭素化合物の第1薄膜を堆積し、第1薄膜の上に中心部から周縁部に向けて膜厚が薄くなるシリコンナイトライド、多結晶シリコンまたは非晶質シリコンの第2薄膜を形成することを特徴とする熱処理方法。 The heat treatment method according to claim 1,
The thin film forming step includes depositing a first thin film of carbon or a carbon compound on the surface of the substrate, and forming silicon nitride, polycrystalline silicon, A heat treatment method comprising forming a second thin film of amorphous silicon.
不純物が注入された後に炭素または炭素化合物の薄膜が表面に形成された基板を収容するチャンバーと、
前記チャンバー内にて前記基板を保持する保持手段と、
前記保持手段に保持された前記基板を予備加熱する予備加熱手段と、
前記保持手段に保持された前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
前記チャンバー内にて前記保持手段に保持された前記基板の周囲から酸素ガスを供給する酸素ガス供給手段と、
前記保持手段に保持された前記基板の下方から前記チャンバー内の雰囲気を排気する排気手段と、
前記保持手段に保持した前記基板を前記予備加熱手段によって加熱し、前記酸素ガス供給手段から酸素ガスを供給しつつ前記排気手段が前記チャンバー内の雰囲気を排気することによって前記基板の表面に形成された薄膜の中心部から周縁部に向けて膜厚を薄くした後に前記フラッシュランプからフラッシュ光を照射させる制御手段と、
を備えることを特徴とする熱処理装置。 A heat treatment apparatus for heating a substrate by irradiating flash light onto the substrate into which impurities are implanted,
A chamber for accommodating a substrate on which a thin film of carbon or a carbon compound is formed after impurities are implanted;
Holding means for holding the substrate in the chamber;
Preheating means for preheating the substrate held by the holding means;
A flash lamp for irradiating the substrate held by the holding means with flash light;
Oxygen gas supply means for supplying oxygen gas from the periphery of the substrate held by the holding means in the chamber;
Exhaust means for exhausting the atmosphere in the chamber from below the substrate held by the holding means;
The substrate held by the holding means is heated by the preliminary heating means, and the exhaust means exhausts the atmosphere in the chamber while supplying oxygen gas from the oxygen gas supply means, and is formed on the surface of the substrate. Control means for irradiating flash light from the flash lamp after reducing the film thickness from the center to the periphery of the thin film;
A heat treatment apparatus comprising:
フラッシュ光照射時の前記薄膜の中心部と周縁部との膜厚差は8nm以上30nm以下であることを特徴とする熱処理装置。 The heat treatment apparatus according to claim 6, wherein
A heat treatment apparatus characterized in that a film thickness difference between a central portion and a peripheral portion of the thin film during flash light irradiation is 8 nm or more and 30 nm or less.
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