JP5685615B2 - マイクロ波加熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を処理容器内に導入して被処理基板を加熱するマイクロ波加熱処理方法に関する。

例えば半導体デバイスの製造においては、シリコン基板に不純物としてのイオンを注入し、イオン注入による結晶欠陥によって基板表面に生じたアモルファスシリコンを修復して結晶化すると共に、シリコン基板の表層に拡散層を形成する。この際の熱処理としては、ランプヒータを用いて例えば数ｍ秒オーダーのパルス幅の光を照射する、いわゆるＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）が一般に用いられる。このＲＴＡを用いた熱処理における基板温度は約９００℃に達する。

ところで近年、半導体デバイスの微細化に伴い、この拡散層における基板の厚み方向の深さを短くして、浅い拡散層を形成することが求められている。拡散層を浅くするには熱処理の温度を低くして不純物の拡散を抑制することが考えられるが、その場合は不純物の活性化が不十分となり拡散層の電気抵抗が増大するという問題があった。

この問題を解決するために、近年、マイクロ波を用いた加熱方法が提案されている。マイクロ波を用いて加熱することで、マイクロ波が不純物であるイオンに直接作用し、ＲＴＡよりも低い温度で不純物を活性化させ、且つ拡散層が広がることを抑制できる。その結果、浅い拡散層を形成することができる。

マイクロ波を用いて、所望の極浅拡散層を形成することが可能な熱処理方法が例えば特許文献１に開示されている。この熱処理方法によれば、シリコン基板にイオンを注入した後、シリコン基板にマイクロ波を照射して加熱し、次にランプヒータにより０．１ｍ以上１００ｍ秒以下のパルス幅の光を照射してさらに加熱を行う。そして、マイクロ波の照射の際には基板温度を６００℃以下とすることで、拡散層の広がりを抑制して基板表面に極浅の拡散層を形成する。

特開２０１１−０７７４０８号公報

ところで、イオン注入により生じたアモルファスシリコンは、熱処理によって欠陥が回復することで、基板の結晶方位に沿って徐々に再結晶化してシリコンの単結晶が形成される。ところが、ＲＴＡを用いた熱処理では基板温度が約９００℃に達するため、基板とアモルファスシリコンの界面とは反対側、即ち基板表層のアモルファスシリコンにおいても核生成がおこり、基板の結晶方位とは異なる方位で結晶化してしまいポリシリコン化してしまう。その結果、拡散層において良好な単結晶を形成することができず、例えば結晶化した拡散層を、ＮＡＮＤ回路などに用いるフローティングゲートとして利用する場合、ソースとドレインのコンタクト抵抗が増大するという問題がある。

このような基板表層におけるポリシリコン生成を抑制するために、特許文献１のように、マイクロ波により６００℃程度の温度で基板を加熱することも考えられる。しかしながらその場合、アモルファスシリコンの結晶化に多大な時間を要し、また、結晶化も不十分となるため、基板表層においてアモルファスシリコンが残留してしまう。そのため、アモルファスシリコンを基板の結晶方位に沿って結晶成長させることで、良好な単結晶を形成する技術が望まれている。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、マイクロ波を処理容器内に導入して被処理基板を加熱する熱処理において、基板に良好な単結晶を形成することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、被処理基板にマイクロ波を照射することで、イオン注入によって被処理基板であるシリコン基板上に形成されたアモルファスシリコンを単結晶化させる加熱処理方法であって、被処理基板にマイクロ波を照射して、当該被処理基板上のアモルファスシリコンにおいて、被処理基板とアモルファスシリコンとの界面において当該アモルファスシリコンが単結晶化し、且つ前記界面以外の領域で核生成がおこらない温度である第１の温度に昇温し、前記第１の温度で所定期間加熱した後に、前記第１の温度より高温な第２の温度に昇温してさらに加熱することを特徴としている。

本発明によれば、マイクロ波を照射して先ず第１の温度による加熱処理を行うので、被処理基板の表層におけるポリシリコン生成を抑制しつつ、被処理基板とアモルファスシリコンとの界面においてアモルファスシリコンを被処理基板の結晶方位に沿って単結晶化できる。そして、その後に第２の温度に昇温してさらに加熱処理を行うので、被処理基板表層にアモルファスシリコンを残留させることなく、全てのアモルファスシリコンを単結晶化させることができる。その結果、マイクロ波を処理容器内に導入して被処理基板を加熱する熱処理において、基板に良好な単結晶を形成することができる。

前記１の温度から前記第２の温度への昇温の際、前記被処理基板に照射するマイクロ波の出力をステップ状に増加させてもよい。

前記１の温度から前記第２の温度への昇温の際、前記被処理基板に照射するマイクロ波の出力を所定の時間かけて所定の値増加させてもよい。

前記第１の温度は、６００℃〜８００℃であり、前記第２の温度は７００℃〜１０００℃であってもよい。

前記被処理基板上のアモルファスシリコンは、前記イオン注入により前記被処理基板にヒ素、リン又はホウ素の少なくともいずれかがドープされたことにより形成されたものであってもよい。

前記第１の温度で加熱する所定期間は、加熱により前記アモルファスシリコンの厚みが１０ｎｍ〜２０ｎｍとなるまでの期間であってもよい。

本発明によれば、マイクロ波を処理容器内に導入して被処理基板を加熱する熱処理において、基板に良好な単結晶を形成するこができる。

本実施の形態に係るマイクロ波加熱処理装置の概略縦断面図である。 マイクロ波ユニットの構成の概略を示す説明図である。 電源部の構成の概略を示す説明図である。 処理容器の天井板の下面を示す下面図である。 天井板の開口の形状を示す説明図である。 ウェハ表面の近傍の断面の状態を模式的に示す説明図である。 加熱処理のプロファイルを示す説明図である。 アモルファスシリコンの厚みと結晶化の温度との相関関係を表す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。図１は、本実施の形態にかかるマイクロ波加熱処理装置１を概略的に示した縦断面図である。なお、本実施の形態では、マイクロ波加熱処理装置１により、例えば半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という）Ｗの加熱処理を行う場合を例にして説明する。また、本実施の形態にかかるウェハＷは例えばシリコン基板であり、不純物としてのイオンが注入されることにより、その表面に結晶欠陥に伴うアモルファスシリコン層が形成されたものである。

図１に示すように、マイクロ波加熱処理装置１は、被処理基板としてのウェハＷを収容する処理容器１０と、処理容器１０の内部にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構１１と、処理容器１０の内部に所定のガスを供給するガス供給機構１２と、処理容器１０内でウェハＷを支持する支持機構１３と、マイクロ波加熱処理装置１の各機構を制御する制御部１４を備えている。処理容器１０は、例えばアルミニウム、ステンレス等の金属により形成さえている。

処理容器１０は、全体として、例えば略直方体状の容器であり、平面視が例えば正方形の筒状の側壁２０と、側壁２０の上端を覆う略正方形状の天井板２１と、側壁２０の下端を覆う略正方形状の底板２２を有している。これら側壁２０、天井板２１、底板２２により囲まれた領域に、処理容器１０の処理空間Ａが形成される。また、側壁２０、天井板２１、底板２２の処理空間Ａ側の面は鏡面加工されており、マイクロ波を反射させる反射面として機能する。これにより、鏡面加工されていない場合と比較して、ウェハＷを加熱処理する際の到達温度を高くすることができる。

処理容器１０の側壁２０にはウェハＷの搬入出口２０ａが形成されている。搬入出口２０ａにはゲートバルブ２３が設けられており、このゲートバルブ２３は図示しない駆動機構により開閉自在となっている。ゲートバルブ２３と側壁２０との間には、マイクロ波の漏えいを防止するための、図示しないシール部材が設けられている。また、処理容器１０の側壁２０には、ガス供給機構１２が供給管２４を介して接続されている。なお、ガス供給機構１２からは、例えば処理ガス又は冷却ガスとして、例えば窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、ネオンガス、窒素ガス、水素ガスといったガスが供給される。

処理容器１０の底板２２には、排気口２２ａが形成されており、この排気口２２ａには排気管２５を介して、例えば真空ポンプなどの排気機構３０が接続されている。また、底板２２には支持機構１３が設けられている。

支持機構１３は底板２２の中央を上下方向に貫通して処理容器１０の外部まで延伸する中空管状のシャフト３１と、シャフト３１の上端近傍に設けられ、水平方向に延伸するアーム３２と、アーム３２の上端に設けられ、ウェハＷを支持する支持ピン３３を有している。シャフト３１の下端には、当該シャフト３１を、回転及び昇降させる駆動機構３４が接続されている。処理容器１０内におけるウェハＷの高さ方向の位置は、ウェハＷを支持する支持ピン３３を駆動機構３４により昇降動させることにより調整される。駆動機構３４は、例えば処理容器１０の外部に配置されている。なお、シャフト３１と底板２１との間は、図示しないシール部材により気密に塞がれている。

また、シャフト３１の内部には、ウェハＷの温度を測定する温度測定機構３５が設けられている。温度測定機構３５としては、例えば放射温度計が用いられる。温度測定機構３５で測定された温度は、制御部１４に入力され、マイクロ波によるウェハＷの加熱の際の制御に用いられる。

処理容器１０の天井板２１には、当該処理容器１０内にマイクロ波を導入するためのマイクロ波導入ポートとして機能する開口３６が形成されており、この開口３６を塞ぐように透過窓３７が設けられている。マイクロ波導入機構１１はこの透過窓３７の上部に設けられており、マイクロ波導入機構１１はマイクロ波を発生させるマイクロ波ユニット４０とマイクロ波ユニットに接続された電源部４１とを有している。本実施の形態では、例えば透過窓３７及びマイクロ波ユニット４０はそれぞれ４つずつ、電源部４１は一つ設けられている。

透過窓３７は、例えば石英、セラミックス等の誘電体により形成されている。透過窓３７と天井板２１との間は、図示しないシール部材により気密に塞がれている。なお、透過窓３７の下面から処理容器１０内で加熱処理されるウェハＷとの距離Ｇは、ウェハＷにマイクロ波が直接放射されることを抑制する観点から、例えば２５ｍｍ以上５０ｍｍ以下となるように設定されている。なお、透過窓３７の具体的な配置については後述する。

マイクロ波ユニット４０は、例えば図２に示すように、マイクロ波を生成するためのマグネトロン４２と、マイクロ波を伝送する導波管４３と、導波管４３と透過窓３７の間に設けられたサーキュレータ４４、検出器４５、チューナ４６と、サーキュレータ４４に接続されたダミーロード４７を有している。

マグネトロン４２は、電源部４１により高電圧を印加するための図示しない陽極及び陰極を有している。マグネトロン４２としては、種々の周波数のマイクロ波を発振することができるものを用いることができる。なお、マグネトロンにより生成されるマイクロ波の周波数は、被処理基板としてのウェハＷの処理に最適な周波数が選択され、例えば加熱処理においては、２．４５ＧＨｚ以上の高い周波数のマイクロ波であることが好ましく、５．８ＧＨｚのマイクロ波がより好ましい。

導波管４３は、断面が矩形であって且つ筒状の形状を有し、処理容器１０の天井板２１及び透過窓３７の上面から上方に向けて延伸している。マグネトロン４２は、この導波管４３の上端部近傍に接続されており、マグネトロン４２で生成されたマイクロ波は、導波管４３と透過窓３７を介して処理容器１０の処理空間Ａ内に伝送される。

サーキュレータ４４、検出器４５及びチューナ４６は、導波管４３の上端部から下端部に向けてこの順で設けられている。サーキュレータ４４及びダミーロード４７は、処理容器１０内に導入されたマイクロ波の反射波を分離するアイソレータとして機能する。換言すれば、処理容器１０からの反射波はサーキュレータ４４によりダミーロード４７に伝送され、ダミーロード４７はサーキュレータ４４により伝送された反射波を熱に変換する。

検出器４５は、導波管４３における処理容器１０からの反射波を検出するものであり、例えばインピーダンスモニタ、より具体的には、導波管４３における定在波の電界を検出する定在波モニタにより構成されている。なお、検出器４５は、進行波と反射波を検出することが可能な、例えば方向性結合器により構成されていてもよい。

チューナ４６は、インピーダンスを調整するものであり、マグネトロン４２と処理容器１０との間のインピーダンスはチューナ４６により整合される。チューナ４６によるインピーダンス整合は、検出器４５における反射波の検出結果に基づいて行われる。

電源部４１は、マグネトロン４２に対し、マイクロ波を生成するための高電圧を印加する。電源部４１は、例えば図３に示すように、商用電源に接続されたＡＣ−ＤＣ変換回路５０と、ＡＣ−ＤＣ変換回路５０に接続されたスイッチング回路５１と、スイッチング回路５１の動作を制御するスイッチングコントローラ５２と、スイッチング回路５１に接続された昇圧トランス５３と、昇圧トランス５３に接続された整流回路５４とを有している。昇圧トランス５３とマグネトロン４２とは、整流回路５４を介して接続されている。

ＡＣ−ＤＣ変換回路５０では、商用電源からの例えば三相２００Ｖの交流電圧が整流され、直流に変換される。スイッチング回路５１は、ＡＣ−ＤＣ変換回路５０により変換された直流のオン、オフを制御する回路である。スイッチング回路５１では、スイッチングコントローラ５２によりパルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）またはパルス振幅変調（ＰＡＭ：Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）が行われ、パルス状の電圧が生成される。スイッチング回路５１から出力されるパルス状の電圧は、昇圧トランス５３により昇圧される。昇圧されたパルス状の電圧は、整流回路５４により整流されてマグネトロン４２に供給される。

次に、マイクロ波導入ポートとして機能する、天井板２１に形成された開口３６の配置について説明する。図４は、天井板２１を下面から見た状態を示す図である。図４において、符号Ｏはウェハ及び天井板２１の中心を表している。また、符号Ｍは、天井板２１と側壁２０との境界となる４つの辺において、対向する辺の中点同士を結んだ線である。なお、ウェハＷの中心と天井板２１の中心とは、必ずしも一致している必要はない。

図４に示すように、天井板２１に形成された、例えば４つの開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、概ね中心線Ｍに沿って略十字状に配置されている。各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、図４及び図５に示すように長方形状に形成されており、長辺の長さＬ１と短辺の長さＬ２との比は、例えば２以上１００以下の範囲に設定されており、好ましくは５以上２０以下の範囲に設定される。長辺の長さＬ１と短辺の長さＬ２との比を２以上とするのは、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄから処理容器１０内に放射されるマイクロ波の指向性を開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの長辺と垂直な方向に強めるためである。長辺の長さＬ１と短辺の長さＬ２との比が２未満の場合、開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの直下の方向に対してもマイクロ波の指向性が強くなるため、透過窓３７とウェハＷとの間の距離Ｇとが短い場合に、ウェハＷの一部にマイクロ波が直接照射され、ウェハＷが局所的に昇温してしまう。その一方、長辺の長さＬ１と短辺の長さＬ２との比が２０を超えると、開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの直下や開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの長辺と平行な方向へ向かうマイクロ波の指向性が弱くなりすぎ、ウェハＷの加熱効率が低下してしまう。

なお、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの長辺の長さＬ１は、例えば導波管３２の管内波長λｇに対してＬ１＝ｎ×λｇ／２（ｎは正の整数）とすることが好ましい。なお、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの大きさや、長さＬ１とＬ２との比は、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ毎に異なっていてもよいが、ウェハＷに対してマイクロ波を均等に照射して均一な加熱処理を行うことを考慮すると、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの大きさや、長さＬ１、Ｌ２は同一であることが好ましい。

また、本実施の形態では、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、ウェハＷ上面近傍の電界分布を均一にする観点から、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの中心Ｏｐが、例えば図４に示すように、例えばウェハＷより小さく異なる直径を有し、ウェハＷの中心Ｏを中心とする２つの同心円のいずれかに重なるように配置されている。この際に、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの全ての中心Ｏｐの位置が、同一の円周上に配置されないようにしている。本実施の形態では、例えば図４に示すように、例えば二つの開口３６ａ、３６ｃを半径Ｒ_ＩＮの円周上に配置し、開口３６ｂ、３６ｄを半径Ｒ_ＩＮより大きな半径Ｒ_ＯＵＴを有する円周上に配置している。

なお、図４に示すように、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、それぞれの長辺と短辺が、側壁２０の内側面と平行になるように配置されている。図４では、二つの開口３６ａ、３６ｃの長辺がＸ方向正方向側と負方向側の側壁２０と平行で、且つ他の二つの開口３６ｂ、３６ｄの長辺がＹ方向正方向側と負方向側の側壁２０と平行になるように配置された状態を描図している。

また、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、それぞれの長辺と垂直な方向に平行移動させた場合に、他の開口と干渉しない位置に配置されている。例えば、図４に示す開口３６ａは、その長辺と垂直な方向、即ちＸ方向に移動させても、開口３６ｂ、３６ｄとは干渉せず、当然開口３６ｃとも干渉しない。このような条件で各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄを略十字状に配置することによって、各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄから、その長辺に対して垂直な方向へ強い指向性を持って放射されるマイクロ波及びその反射波が、他の開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄに進入することを抑制できる。その結果、マイクロ波及びその反射波が各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄへ進入することによる損失を抑え、マイクロ波による効率的な加熱処理を行うことができる。

また、本実施の形態では、略十字状に配置された開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄのうち、互いに隣接していない２つの開口はそれぞれの中心Ｏｐが、中心線Ｍに平行な同一の直線状に位置しないように配置されている。例えば長辺の方向が同じ開口３６ａと開口３６ｃの中心Ｏｐは、それぞれ異なる方向に中心軸Ｍから所定の距離だけずれている。このように開口３６ａと開口３６ｃを配置することによって、開口３６ａと開口３６ｃとの間で、それぞれに短辺に垂直な方向に放射されたマイクロ波が進入し合い、電力損失が生じることを抑制できる。なお、例えば開口３６ａと開口３６ｃの中心Ｏｐが同一の直線状に位置していなければ、いずれか一方の開口の中心Ｏｐが中心線Ｍと重なっていてもよい。各開口３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄの配置は本実施の形態に限定されるものではなく、上記の関係を満たすような配置であれば、任意に設定が可能である。

制御部１４は、記憶部６０を有している。制御部１４は、記憶部６０に記憶されたレシピに従い、マイクロ波加熱装置１の各機構を制御する。なお、制御部１４への指令は、専用の制御デバイスあるいはプログラムを実行するＣＰＵ(図示せず)により実行される。プロセス条件を設定したレシピは、ＲＯＭや不揮発性メモリ(ともに図示せず)に予め記憶されていて、ＣＰＵが、これらのメモリからレシピの条件を読み出し実行する。

本実施の形態にかかるマイクロ波加熱処理装置１は以上のように構成されている。次に、マイクロ波加熱処理装置１によるウェハＷの加熱処理について説明する。

ウェハＷの加熱処理にあたっては、先ずゲートバルブ２３が開操作されて、搬送機構（図示せず）により処理容器１０内にウェハＷが搬入される。搬入されたウェハＷは、支持ピン３３上に載置される。次いで、ゲートバブル２３が閉操作され、排気機構３０により処理容器１０内が排気されて減圧雰囲気となる。次に、ガス供給機構１２から所定の流量で処理ガス及び冷却ガスが処理容器１０内に供給される。

次に、電源部４１からマグネトロン４２に対して電圧が印加され、マグネトロン４２で生成されたマイクロ波が導波管４３を伝搬して、透過窓３７を介して処理容器１０内の処理空間Ａに導入される。この際、駆動機構３４によりシャフト３１が回転され、支持ピン３３に載置されているウェハＷも所定の速度で回転する。

処理容器１０内に導入されたマイクロ波は、ウェハＷの表面に照射されてウェハＷが加熱処理される。この際、照射されるマイクロ波の出力が調整され、ウェハＷが第１の温度に昇温される。第１の温度は、ＲＴＡを用いた加熱処理よりも低い温度である。より具体的には、第１の温度は、ウェハＷ上のアモルファスシリコンにおいて、ウェハＷとアモルファスシリコンとの界面以外の領域でシリコン単結晶の核生成がおこらない温度である。ウェハＷがシリコン基板であり、例えば注入されたイオンがヒ素、リン又はホウ素である場合、アモルファスシリコンの形状やイオンの濃度にもよるが、第１の温度は概ね６００℃〜８００℃である。なお、本実施の形態では、第１の温度は例えば８００℃に設定されている。イオン注入後は例えば図６（ａ）に示すように、単結晶シリコンであるウェハＷの上面にアモルファスシリコンが所定の厚みＤで存在していたが、第１の温度で加熱処理することにより、アモルファスシリコンが徐々に再度単結晶化して、図６（ｂ）に示すように、アモルファスシリコンの厚みが減少してゆく。この際、ウェハＷはＲＴＡを用いた加熱処理よりも低い温度である第１の温度で加熱処理されるので、単結晶シリコンとの界面以外のアモルファスシリコン中にシリコン結晶の核が生成し、ポリシリコン化されることを抑制できる。

ウェハＷが第１の温度で所定の期間加熱されると、次に、マイクロ波の出力を増大させ、ウェハＷを第２の温度まで昇温する。この際、マイクロ波の出力はステップ状に増加され、ウェハＷの温度は、例えば図７の線Ｓに示すように短時間で第２の温度に到達する。図７の線Ｓは、本実施の形態にかかるウェハＷの加熱処理のレシピを示している。なお、ウェハＷの昇温の際には、マイクロ波の出力を増大させるだけでなく、駆動機構３４によりシャフト３１を上昇させることでウェハＷを上昇させてもよい。これにより、ウェハＷに照射されるマイクロ波の反射を抑えて、昇温速度を高めることができる。また、第１の温度から第２の温度へ移行する時期、換言すれば、第１の温度による加熱時間は、ウェハＷ上のアモルファスシリコンの残りの厚みが、例えば１０ｎｍ〜２０ｎｍに減少するまでの時間であり、本実施の形態では、約３００秒である。本発明者らが鋭意調査したところ、アモルファスシリコンの厚みが１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度となった状態においては、第１の温度でアモルファスシリコンを加熱処理しても、結晶化する速度が非常に遅くなり、結晶化を促進するためには加熱処理の温度を第１の温度より高くする必要がある。したがって、全てのアモルファスシリコンを速やかに再結晶化させるため、本実施の形態においては、アモルファスシリコンの残りの厚みが１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度まで減少した時点で、ウェハＷを第２の温度まで昇温する。なお、第２の温度は、概ね７００℃〜１０００℃であり、本実施の形態では、例えば８５０℃である。

ウェハＷ上のアモルファスシリコンは、第２の温度で加熱処理されることで再結晶化され、図６（ｃ）に示すように、ウェハＷの表面に存在していた全てのアモルファスシリコンが、ウェハＷと同じ結晶方位で結晶化する。第２の温度での加熱時間は、例えば１５０秒である。

第２の温度での加熱処理が終了すると、電源部４１からマグネトロン４２への電圧の印加が停止され、処理容器１０内に導入されるマイクロ波も停止する。それと共に、駆動機構３４も停止し、ウェハＷの回転が停止する。また、ガス供給機構１２からの処理ガス及び冷却ガスの供給も停止される。その後、ゲートバルブ２３が開操作されてウェハＷが処理容器１０から外部に搬出される。これにより、一連のウェハＷの加熱処理が終了する。

以上の実施の形態によれば、ウェハＷにマイクロ波を照射して、ＲＴＡを用いた加熱処理よりも低い温度である第１の温度で先ず所定期間だけ加熱処理を行うので、ウェハＷ上のアモルファスシリコンの表層部分において、ウェハＷとは異なる結晶方位でシリコン結晶が成長することを抑制しつつ、被処理基板とアモルファスシリコンとの界面において、ウェハＷの結晶方位に沿ってアモルファスシリコンを単結晶化できる。そして、その後に第２の温度に昇温してさらに加熱処理を行うので、ウェハＷの表面にアモルファスシリコンを残留させることなく、全てのアモルファスシリコンを良好に単結晶化させることができる。さらに、ＲＴＡを用いた加熱処理の温度よりも低い温度である第１の温度及び第２の温度で結晶化を行っているので、浅い良好な拡散層をウェハＷ上に形成することができる。

また、アモルファスシリコンの厚みが１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度まで減少した後にウェハＷの加熱処理の温度を第１の温度から第２の温度まで昇温するので、この第２の温度における加熱処理により、残ったアモルファスシリコンを速やかに再結晶化することができる。したがって本実施の形態によれば、ウェハＷの加熱処理におけるスループットを向上させることができる。なお、本発明者らが鋭意調査したところ、ウェハＷ上面のアモルファスシリコンの厚みと、当該アモルファスシリコンが再結晶化する温度の間には、図８に示されるような、所定の相関関係があることが確認された。

図８に示されるように、アモルファスシリコンの厚みが減少するほど、当該アモルファスシリコンを結晶化させる温度が高くなる。図８からわかるように、アモルファスシリコンの厚みが例えば２０ｎｍより厚い場合は、７００℃程度の温度でアモルファスシリコンを結晶化させることができる。その一方、アモルファスシリコンが１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度である場合、結晶化には７５０℃以上の温度での加熱処理が必要となる。このことからも、アモルファスシリコンの厚みが１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度まで減少した後に、ウェハＷの加熱処理の温度を第１の温度から第２の温度まで昇温することが適当であることがわかる。また、その反対に、アモルファスシリコンが２０ｎｍよりも厚い場合に、結晶化する温度よりも例えば１５０℃程度高い第２の温度で加熱処理を行うと、結晶化が進みすぎ、ウェハＷとアモルファスシリコンとの界面以外の領域でポリシリコンが形成されることも図８から推察できる。したがって、アモルファスシリコンの厚みが１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度に減少するまでは、本実施の形態にように、第１の温度での加熱処理を継続することが適当であるといえる。なお、図８はウェハＷ上に一様に形成された、ヒ素やリン等のイオンが注入されていないアモルファスシリコンにおける結晶化の温度を表している。よって、アモルファスシリコンに注入されるイオンの種類や濃度、アモルファスシリコンの形状により結晶化の温度は上下することになる。

なお、比較例として、ＲＴＡを用いてウェハＷを１０５０℃で１０秒間加熱処理を行った場合は、図６（ｄ）に示されるように、ウェハＷの表層近傍においてポリシリコンが生成してしまう。また、他の比較例として、ウェハＷにマイクロ波を照射し、６００℃で６０秒間加熱処理を行った場合は、ウェハＷの結晶方位に沿った結晶化は図６（ａ）の状態からほとんど進まず、大部分のアモルファスシリコンがそのまま残ってしまう。

以上の実施の形態では、第１の温度から第２の温度まで昇温する際に、マイクロ波の出力をステップ状に増加させることで、図７の線Ｓに示すように短時間でウェハＷを昇温させたが、昇温のパターンについては本実施の形態に限定されるものではなく、図８のデータに基づいて、第１の温度から第２の温度まで所定の時間かけて昇温してもよい。換言すれば、ウェハＷに照射するマイクロ波の出力を所定の時間かけて所定の値だけ増加させるようにしてもよい。かかる場合、マイクロ波の出力は直線状に増加させてもよいし、図８の曲線に沿った温度上昇が得られるように、曲線的に増加させてもよい。

なお、他の比較例として、本発明者らは、マイクロ波を照射してウェハＷを加熱処理する際に、図７の線Ｔ及び線Ｕに示すように所定の温度を一定時間維持した場合についても検証を行った。図７の線Ｔのように、ウェハＷを８３０℃まで昇温して３００秒加熱処理を行った場合、ウェハＷの表層の一部にポリシリコンが形成されることが確認された。これは、上述の図８に示される通り、アモルファスシリコンの厚みが大きく、７００℃程度の温度でアモルファスシリコンを結晶化させることができる際に８３０℃という比較的高い温度で加熱処理を行うことで、アモルファスシリコンにおけるウェハＷとの界面以外の領域においても核生成が起こることが原因と考えられる。

また、図７の線Ｕのように、ウェハＷを７８０℃まで昇温して６００秒加熱を行った場合、ポリシリコンが形成されることはないものの、アモルファスシリコンを全て結晶化させることができず、ウェアＷの表層にアモルファスシリコンが残留してしまうことが確認された。これは、アモルファスシリコンの厚みが例えば１０ｎｍ程度まで減少した場合に、７８０℃ではアモルファスシリコンを十分に結晶化させることができないか、或いはは結晶化の速度が遅く、６００秒では全てを結晶化することができなかったものと考えられる。

以上の実施の形態のウェハＷは、シリコン基板に不純物としてのイオンが注入されることにより、その表面に結晶欠陥に伴うアモルファスシリコン層が形成されたものであったが、ウェハＷの材質や、注入するイオンについては適宜最適な選択を行ってもよい。

なお、図８に示す、アモルファスシリコンの厚みと結晶化温度との相関関係は、既述のように、ウェハＷにドープされるイオンの種類や濃度、アモルファスシリコンの形状、ウェハＷの材質等により変化する。したがって、第１の温度及び第２の温度は、ウェハＷの材質やドープされるイオンの種類や濃度、アモルファスシリコンの形状に応じて適宜最適な値が設定される。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ マイクロ波加熱処理装置
１０ 処理容器
１１ マイクロ波導入機構
１２ ガス供給機構
１３ 支持機構
１４ 制御部
２０ 側壁
２１ 天井板
２２ 底板
３０ 排気機構
４０ マイクロ波ユニット
４１ 電源部
Ｗ ウェハ
Ａ 処理空間

Claims (6)

1. 被処理基板にマイクロ波を照射することで、イオン注入によって被処理基板であるシリコン基板上に形成されたアモルファスシリコンを単結晶化させる加熱処理方法であって、
   被処理基板にマイクロ波を照射して、当該被処理基板上のアモルファスシリコンにおいて、被処理基板とアモルファスシリコンとの界面において当該アモルファスシリコンが単結晶化し、且つ前記界面以外の領域で核生成がおこらない温度である第１の温度に昇温し、
   前記第１の温度で所定期間加熱した後に、前記第１の温度より高温な第２の温度に昇温してさらに加熱することを特徴とする、マイクロ波加熱処理方法。
2. 前記１の温度から前記第２の温度への昇温の際、前記被処理基板に照射するマイクロ波の出力をステップ状に増加させることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波加熱処理方法。
3. 前記１の温度から前記第２の温度への昇温の際、前記被処理基板に照射するマイクロ波の出力を所定の時間かけて所定の値増加させることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波加熱処理方法。
4. 前記第１の温度は、６００℃〜８００℃であり、前記第２の温度は７００℃〜１０００℃であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ波加熱処理方法。
5. 前記被処理基板上のアモルファスシリコンは、前記イオン注入により前記被処理基板にヒ素、リン又はホウ素の少なくともいずれかがドープされたことにより形成されたものであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロ波加熱処理方法。
6. 前記第１の温度で加熱する所定期間は、加熱により前記アモルファスシリコンの厚みが１０ｎｍ〜２０ｎｍとなるまでの期間であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロ波加熱処理方法。
   

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