JP5828997B2 - 熱処理方法および熱処理装置 - 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。

また、フラッシュランプに電力供給を行う電源回路のコイル定数を調整することによってフラッシュランプの発光時間を数ミリセカンド程度に伸ばすことができる。発光時間を数ミリセカンド程度とすれば、半導体ウェハーの表面のみならず内部をもある程度昇温することができ、イオン注入時に導入された欠陥の回復には有効であると考えられる。ところが、フラッシュランプの発光時間を数ミリセカンド程度と長くすると、半導体ウェハーの表面が昇温し続けて新たな結晶欠陥が発生するおそれがある。

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方法および熱処理装置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、不純物が注入された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、第１の発光出力を目標値として前記基板に光照射を行うことにより、前記基板の表面温度を２００℃ないし８００℃の予備加熱温度からある程度の温度まで昇温する第１光照射工程と、前記第１光照射工程に連続してピークが前記第１の発光出力および前記第１光照射工程における発光出力の最大値よりも大きな第２の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行うことにより、前記基板の表面温度を前記ある程度の温度から１０００℃以上の処理温度にまで昇温する第２光照射工程と、前記ピークを過ぎた後に前記第２光照射工程に連続して前記第２の発光出力よりも小さな発光出力にて前記基板に追加の光照射を行う第３光照射工程と、を備え、前記第１光照射工程は、平均値が前記第１の発光出力であって前記第１の発光出力から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第１定出力照射工程を含み、前記第２光照射工程での光照射時間は１ミリセカンド以上５ミリセカンド以下であり、前記第３光照射工程は、平均値が前記第２の発光出力よりも小さな第３の発光出力であって前記第３の発光出力から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第２定出力照射工程を含み、フラッシュランプに接続されたスイッチング素子のゲートにパルス信号を印加することによって前記フラッシュランプに流れる電流を制御することにより、前記フラッシュランプから前記第１光照射工程、前記第２光照射工程および前記第３光照射工程の光照射を行うとともに、前記第１光照射工程での光照射時間、前記第２光照射工程での光照射時間および前記第３光照射工程での光照射時間の合計が１秒以下であ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方法において、前記第３の発光出力は前記第１の発光出力よりも大きく、前記第３光照射工程での光照射時間は前記第１光照射工程での光照射時間よりも長いことを特徴とする。

また、請求項３の発明は、不純物が注入された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光照射手段と、前記光照射手段の発光出力を制御する発光制御手段と、を備え、前記光照射手段はフラッシュランプを備え、前記発光制御手段は前記フラッシュランプに接続されたスイッチング素子を含み、前記発光制御手段は、光照射の総時間が１秒以下となる範囲内にて、第１の発光出力を目標値として前記基板に第１の光照射を行うことにより、前記基板の表面温度を２００℃ないし８００℃の予備加熱温度からある程度の温度まで昇温し、前記第１の光照射に連続してピークが前記第１の発光出力および前記第１の光照射の発光出力の最大値よりも大きな第２の発光出力となる出力波形にて前記基板に第２の光照射を行うことにより、前記基板の表面温度を前記ある程度の温度から１０００℃以上の処理温度にまで昇温し、さらに前記ピークを過ぎた後に前記第２の光照射に連続して前記第２の発光出力よりも小さな発光出力にて前記基板に追加の第３の光照射を行うように前記光照射手段の発光出力を制御し、前記発光制御手段は、平均値が前記第１の発光出力であって前記第１の発光出力から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第１定出力照射を前記第１の光照射に含めるように前記光照射手段を制御し、前記第２の光照射の光照射時間は１ミリセカンド以上５ミリセカンド以下であり、前記発光制御手段は、平均値が前記第２の発光出力よりも小さな第３の発光出力であって前記第３の発光出力から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第２定出力照射を前記第３の光照射に含めるように前記光照射手段を制御し、前記スイッチング素子のゲートにパルス信号を印加することによって前記フラッシュランプに流れる電流を制御することにより、前記フラッシュランプから前記第１の光照射、前記第２の光照射および前記第３の光照射を行うことを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る熱処理装置において、前記第３の発光出力は前記第１の発光出力よりも大きく、前記第３の光照射の光照射時間は前記第１の光照射の光照射時間よりも長いことを特徴とする。

請求項１および請求項２の発明によれば、第１光照射工程にてある程度予熱された基板に対して第２光照射工程のピークを有する波形の光照射が行われることとなるため、第２光照射工程において基板の表面が瞬間的に昇温するときの昇温幅を小さくして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を効率良く行うことができる。また、追加の光照射を行う第３光照射工程によって、基板の表面温度がある程度時間をかけて降温することとなり、基板に導入された欠陥の回復をも行うことができる。また、第１光照射工程は、平均値が第１の発光出力であって第１の発光出力から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第１定出力照射工程を含むため、第２光照射工程の前に基板を確実に予熱することができる。さらに、第３光照射工程は、平均値が第２の発光出力よりも小さな第３の発光出力であって第３の発光出力から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第２定出力照射工程を含むため、基板表面の降温速度を確実に低下させて、欠陥の回復を確実に行うことができる。

また、請求項３および請求項４の発明によれば、第１の光照射にてある程度予熱された基板に対してピークを有する波形にて第２の光照射が行われることとなるため、第２の光照射において基板の表面が瞬間的に昇温するときの昇温幅を小さくして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を効率良く行うことができる。また、追加の光照射を行う第３の光照射によって、基板の表面温度がある程度時間をかけて降温することとなり、基板に導入された欠陥の回復をも行うことができる。また、平均値が第１の発光出力であって第１の発光出力から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第１定出力照射を第１の光照射に含めるため、第２の光照射の前に基板を確実に予熱することができる。さらに、平均値が第２の発光出力よりも小さな第３の発光出力であって第３の発光出力から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第２定出力照射を第３の光照射に含めるため、基板表面の降温速度を確実に低下させて、欠陥の回復を確実に行うことができる。

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。 パルス信号の波形と回路に流れる電流との相関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発光出力プロファイル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、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。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。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、パルス信号の波形と回路に流れる電流との相関の一例を示す図である。ここでは、図９（ａ）に示すような波形のパルス信号がパルス発生器３１から出力される。パルス信号の波形は、入力部３３からパルスの立ち上がっている時間（オン時間）とパルス間のスペース時間（オフ時間）とを順次設定したレシピを入力することによって規定することができる。このようなレシピをオペレータが入力部３３から制御部３に入力すると、制御部３の波形設定部３２は図９（ａ）に示すようなパルス波形を設定する。図９（ａ）に示すパルス波形においては、まず最初に比較的長い単一のパルスＰＡが設定され、それに続いて比較的短い複数のパルスＰＢが設定される。さらに、続いて比較的長い単一のパルスＰＣが設定され、その後に比較的短い複数のパルスＰＤが設定されている。そして、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発生器３１が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（ａ）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。

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。制御部３からスイッチング素子９６のゲートに図９（ａ）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を含む回路中に図９（ｂ）に示すような波形の電流が流れる。すなわち、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フラッシュランプＦＬのガラス管９２内に流れる電流値が増加し、オフのときには電流値が減少する。なお、各パルスに対応する個々の電流波形はコイル９４の定数によって規定される。

図９（ｂ）に示すような波形の電流が流れてフラッシュランプＦＬが発光する。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。従って、フラッシュランプＦＬの発光出力の出力波形（プロファイル）は図１０に示すようなパターンとなる。図１０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回の発光で消費され、フラッシュランプＦＬからの出力波形は幅が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。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（ａ）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。なお、図９に示すように、電流値が完全に”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ため、フラッシュランプＦＬが点滅を繰り返している間も発光出力が完全に”０”になるものではない。

図１０に示す如き光の出力波形は、３段階の光照射を行っているものとみなすことができる。すなわち、比較的小さくフラットな出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第１の光照射と、比較的大きなピークを有する出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第２の光照射と、そのピークが過ぎた後に再度比較的小さなフラットな出力波形にて半導体ウェハーＷに追加の光照射を行う第３の光照射と、によって構成される３段照射を行っている。

より詳細に述べれば、まずパルス発生器３１がスイッチング素子９６のゲートに比較的長いパルスＰＡを出力することによって、スイッチング素子９６が継続してオン状態となってフラッシュランプＦＬを含む回路に流れる電流、すなわちフラッシュランプＦＬからの発光出力が目標値Ｌ１まで増大する。続いて、パルス発生器３１がスイッチング素子９６のゲートに比較的短い複数のパルスＰＢを断続的に出力することによって、スイッチング素子９６がオンオフを繰り返してフラッシュランプＦＬを含む回路に平均値がほぼ一定となる図９（ｂ）前半に示すようなのこぎり波形の電流が流れる。その結果、図１０の前半に示すような平均値が発光出力Ｌ１（第１の発光出力）となる概ねフラットな出力波形にてフラッシュランプＦＬが発光する。この段階までが第１の光照射である。すなわち、第１の光照射は、フラッシュランプＦＬからの発光出力が目標値Ｌ１まで増大する過程の照射と、平均値が発光出力Ｌ１を維持する第１定出力照射と、を含む。

第１定出力照射での発光出力は、平均値が発光出力Ｌ１であって発光出力Ｌ１から±３０％以内の変動幅の範囲内に収まる。また、第１定出力照射の光照射時間ｔ１は５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下である。

次に、パルス発生器３１がスイッチング素子９６のゲートに比較的長い単一のパルスＰＣを出力することによって、スイッチング素子９６が暫時オン状態を維持した後にオフとなり、フラッシュランプＦＬを含む回路に図９（ｂ）の中程に示すようなピークを有する波形の電流が流れる。その結果、図１０に示すような、ピークの値が発光出力Ｌ１および第１の光照射における発光出力の最大値よりも大きな発光出力Ｌ２（第２の発光出力）となる出力波形にてフラッシュランプＦＬが発光して半導体ウェハーＷに第２の光照射が行われる。第２の光照射の光照射時間ｔ２は１ミリセカンド以上５ミリセカンド以下である。

続いて、第２の光照射のピークが過ぎた後、パルス発生器３１がスイッチング素子９６のゲートに比較的短い複数のパルスＰＤを断続的に出力することによって、スイッチング素子９６がオンオフを繰り返してフラッシュランプＦＬを含む回路に平均値がほぼ一定となる図９（ｂ）後半に示すようなのこぎり波形の電流が流れる。その結果、図１０の後半に示すような平均値が発光出力Ｌ３（第３の発光出力）となる概ねフラットな出力波形にてフラッシュランプＦＬが発光する。そして、複数のパルスＰＤの出力が完全に終了した後、スイッチング素子９６が継続してオフ状態となり、発光出力が急速に低下してフラッシュランプＦＬが完全に消灯する。ピークを過ぎた後、フラッシュランプＦＬが完全に消灯するまでが第３の光照射である。すなわち、第３の光照射は、平均値が発光出力Ｌ３を維持する第２定出力照射と、フラッシュランプＦＬが発光出力Ｌ３から完全に消灯するまでの照射と、を含む。

第２定出力照射での発光出力は、平均値が発光出力Ｌ３であって発光出力Ｌ３から±３０％以内の変動幅の範囲内に収まる。また、第２定出力照射の光照射時間ｔ３は５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下である。なお、本実施形態においては第３の光照射の発光出力Ｌ３は第１の光照射の発光出力Ｌ１と等しく、よって第２の光照射の発光出力Ｌ２よりも小さい。また、１回の加熱処理におけるフラッシュランプＦＬの光照射の総時間、つまり第１の光照射での光照射時間、第２の光照射での光照射時間および第３の光照射での光照射時間の合計は１秒以下である。

図１０に示すような３段階の光照射を行うことによって、半導体ウェハーＷの表面温度は予備加熱温度Ｔ１から処理温度Ｔ２にまで昇温される（図８参照）。より詳細には、最初の第１の光照射において、平均値が発光出力Ｌ１であって発光出力Ｌ１から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第１定出力照射を半導体ウェハーＷに行うことにより、半導体ウェハーＷが予熱されて予備加熱温度Ｔ１からある程度昇温する。これによって、続く第２の光照射での瞬間的な昇温幅が少なくなり、半導体ウェハーＷに与える熱的ダメージを低減して割れを防止できるとともに、第２の光照射での不純物活性化効率を向上させることができる。

次に、第２の光照射において、ピークの値が発光出力Ｌ２となる出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行うことによって、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。これによって、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行われる。なお、処理温度Ｔ２は１０００℃以上である。

続く第３の光照射において、平均値が発光出力Ｌ３であって発光出力Ｌ３から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第２定出力照射を半導体ウェハーＷに行うことにより、半導体ウェハーＷの表面温度は処理温度Ｔ２から急速には降温せずにある程度時間をかけて降温することとなる。これによって、イオン注入時にシリコン基板１１に導入された欠陥の回復を進めることができる。

第３の光照射も終了すると、半導体ウェハーＷの表面温度は急速に降温する。そして、フラッシュランプＦＬによる３段階の光照射加熱が終了し、処理位置における約１０秒間の待機の後、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。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、最初に第１の光照射にて５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下の間ほぼ一定の発光出力Ｌ１にて光照射を行い、それに続いてピークの値が発光出力Ｌ１よりも大きな発光出力Ｌ２となる出力波形にて半導体ウェハーＷに第２の光照射を行っている。第１の光照射によってある程度予熱された半導体ウェハーＷに対してピークを有する波形にて第２の光照射が行われることとなるため、第２の光照射において半導体ウェハーＷの表面が瞬間的に昇温するときの昇温幅を小さくして半導体ウェハー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を効率良く行うことができる。その結果、従来のようにシングルパルスで同じエネルギーのフラッシュ光照射を行った場合に比較して、半導体ウェハーＷが割れる頻度を少なくしてシート抵抗値を下げることができる。なお、シート抵抗値は、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。

また、本実施形態においては、ピークを有する第２の光照射に続いて５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下の間ほぼ一定の発光出力Ｌ３にて光照射を行う第２定出力照射を含む第３の光照射を行っている。このような第３の光照射を行うことによって、半導体ウェハーＷの表面温度がある程度時間をかけて降温することとなり、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行うことができる。すなわち、半導体ウェハーＷに対して図１０に示すような３段階の光照射を行うことによって、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。

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、フラッシュランプＦＬの発光出力の出力波形は図１０の例に限定されるものではなく、図１１〜図１３に示すようなものであっても良い。図１１に示す例においても、３段階の光照射を行っている。３段階のうち、比較的小さくフラットな出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第１の光照射および比較的大きなピークを有する出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第２の光照射は図１０と同様である。図１１の出力波形の第３の光照射は、第２の光照射のピークが過ぎた後に漸次発光出力を低下させつつ半導体ウェハーＷに追加の光照射を行う。

具体的には、第１の光照射および第２の光照射については、パルス発生器３１がスイッチング素子９６のゲートに上記実施形態と同様のパルスを出力することによって実行される。第２の光照射のピークが過ぎた後、パルス発生器３１がスイッチング素子９６のゲートにオン時間が徐々に短くなるとともに、オフ時間が徐々に長くなるような複数のパルスを出力する。これによって、スイッチング素子９６がオン時間が徐々に短くなるとともに、オフ時間が徐々に長くなるようにオンオフを繰り返してフラッシュランプＦＬを含む回路に流れる電流が徐々に低下する。その結果、図１１の後半に示すような発光出力が漸次低下するような出力波形にてフラッシュランプＦＬが発光する。第３の光照射の光照射時間は５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下である。なお、第１の光照射での光照射時間、第２の光照射での光照射時間および第３の光照射での光照射時間の合計は１秒以下である。

図１１に示す出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行ったとしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、第１の光照射および第２の光照射によって、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を効率良く行うことができる。そして、第３の光照射にて、５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下の間に漸次発光出力を低下させつつ光照射を行うことにより、半導体ウェハーＷの表面温度は処理温度Ｔ２から急速には降温せずにある程度時間をかけて降温することとなるため、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進めることができる。

図１２に示す例でも、３段階の光照射を行っている。図１２の３段階の光照射は、上記実施形態と同様に、比較的小さくフラットな出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第１の光照射と、比較的大きなピークを有する出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第２の光照射と、そのピークが過ぎた後に再度比較的小さなフラットな出力波形にて半導体ウェハーＷに追加の光照射を行う第３の光照射と、を含む。図１２の出力波形においては、第１の光照射に含まれる第１定出力照射の発光出力Ｌ１および光照射時間ｔ１が第３の光照射に含まれる第２定出力照射の発光出力Ｌ３および光照射時間ｔ３と異なる。

具体的には、図１２の例においては、第１定出力照射での発光出力は、平均値が発光出力Ｌ１であって発光出力Ｌ１から±３０％以内の変動幅の範囲内に収まる。一方、第２定出力照射での発光出力は、平均値が発光出力Ｌ３であって発光出力Ｌ３から±３０％以内の変動幅の範囲内に収まる。そして、第２定出力照射の発光出力Ｌ３は第１定出力照射の発光出力Ｌ１よりも大きい。また、第１定出力照射の光照射時間ｔ１および第２定出力照射の光照射時間ｔ３はともに５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下ではあるものの、第２定出力照射の光照射時間ｔ３の方が第１定出力照射の光照射時間ｔ１よりも長い。すなわち、第２定出力照射の方が第１定出力照射よりも強く長い光照射を行う。なお、第１の光照射での光照射時間、第２の光照射での光照射時間および第３の光照射での光照射時間の合計は１秒以下である。

図１２に示す出力波形にて半導体ウェハーＷに３段階の光照射を行っても、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。図１２に示す出力波形は、第２定出力照射の方が第１定出力照射よりも強く長い光照射を行うため、処理温度Ｔ２からの半導体ウェハーＷの表面温度の降温速度がさらに遅くなり、効果的な欠陥回復を行うのに好適である。

図１３に示す例でも、３段階の光照射を行っている。図１３の３段階の光照射は、上記実施形態と同様に、比較的小さくフラットな出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第１の光照射と、比較的大きなピークを有する出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第２の光照射と、そのピークが過ぎた後に再度比較的小さなフラットな出力波形にて半導体ウェハーＷに追加の光照射を行う第３の光照射と、を含む。図１３の出力波形においては、第１の光照射に含まれる第１定出力照射の発光出力Ｌ１および光照射時間ｔ１が第３の光照射に含まれる第２定出力照射の発光出力Ｌ３および光照射時間ｔ３と異なる。

具体的には、図１３の例においては、第１定出力照射での発光出力は、平均値が発光出力Ｌ１であって発光出力Ｌ１から±３０％以内の変動幅の範囲内に収まる。一方、第２定出力照射での発光出力は、平均値が発光出力Ｌ３であって発光出力Ｌ３から±３０％以内の変動幅の範囲内に収まる。そして、第２定出力照射の発光出力Ｌ３は第１定出力照射の発光出力Ｌ１よりも小さい。また、第１定出力照射の光照射時間ｔ１および第２定出力照射の光照射時間ｔ３はともに５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下ではあるものの、第２定出力照射の光照射時間ｔ３の方が第１定出力照射の光照射時間ｔ１よりも長い。すなわち、第２定出力照射の方が第１定出力照射よりも弱く長い光照射を行う。なお、第１の光照射での光照射時間、第２の光照射での光照射時間および第３の光照射での光照射時間の合計は１秒以下である。

図１３に示す出力波形にて半導体ウェハーＷに３段階の光照射を行っても、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。図１３に示す出力波形は、注入された不純物の活性化を促進して半導体ウェハーＷの表面のシート抵抗値を下げるのに好適である。

集約すれば、目標値を発光出力Ｌ１として半導体ウェハーＷに第１の光照射を行い、それに引き続いてピークが発光出力Ｌ１および第１の光照射における発光出力の最大値よりも大きな発光出力Ｌ２となる出力波形にて半導体ウェハーＷに第２の光照射を行い、さらにそのピークが過ぎた後に発光出力Ｌ２よりも小さな発光出力にて半導体ウェハーＷに追加の第３の光照射を行うものであれば良い。このような３段階の光照射加熱処理を行えば、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。

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、パルス信号のスペース幅が狭く、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（ａ）のように、パルス信号の全てのスペース幅が狭い場合には、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（ａ）のパルス信号を出力するだけで図９（ｂ）のような電流波形を形成することができる。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、３段階の光照射を行うことができれば、図６とは異なる回路構成であっても良く、例えば、コイル定数の異なる３つの電力供給回路を１つのフラッシュランプＦＬに接続するようにしても良い。

さらに、３段階の光照射を行うことができれば、光源としてはフラッシュランプＦＬに限定されるものではなく、照射時間が１秒以下の光照射が可能なものであれば良く、例えばレーザであっても良い。

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 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
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (4)

1. 不純物が注入された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、
   第１の発光出力を目標値として前記基板に光照射を行うことにより、前記基板の表面温度を２００℃ないし８００℃の予備加熱温度からある程度の温度まで昇温する第１光照射工程と、
   前記第１光照射工程に連続してピークが前記第１の発光出力および前記第１光照射工程における発光出力の最大値よりも大きな第２の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行うことにより、前記基板の表面温度を前記ある程度の温度から１０００℃以上の処理温度にまで昇温する第２光照射工程と、
   前記ピークを過ぎた後に前記第２光照射工程に連続して前記第２の発光出力よりも小さな発光出力にて前記基板に追加の光照射を行う第３光照射工程と、
   を備え、
   前記第１光照射工程は、平均値が前記第１の発光出力であって前記第１の発光出力から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第１定出力照射工程を含み、
   前記第２光照射工程での光照射時間は１ミリセカンド以上５ミリセカンド以下であり、
   前記第３光照射工程は、平均値が前記第２の発光出力よりも小さな第３の発光出力であって前記第３の発光出力から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第２定出力照射工程を含み、
   フラッシュランプに接続されたスイッチング素子のゲートにパルス信号を印加することによって前記フラッシュランプに流れる電流を制御することにより、前記フラッシュランプから前記第１光照射工程、前記第２光照射工程および前記第３光照射工程の光照射を行うとともに、前記第１光照射工程での光照射時間、前記第２光照射工程での光照射時間および前記第３光照射工程での光照射時間の合計が１秒以下であることを特徴とする熱処理方法。
2. 請求項１記載の熱処理方法において、
   前記第３の発光出力は前記第１の発光出力よりも大きく、
   前記第３光照射工程での光照射時間は前記第１光照射工程での光照射時間よりも長いことを特徴とする熱処理方法。
3. 不純物が注入された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光照射手段と、
   前記光照射手段の発光出力を制御する発光制御手段と、
   を備え、
   前記光照射手段はフラッシュランプを備え、
   前記発光制御手段は前記フラッシュランプに接続されたスイッチング素子を含み、
   前記発光制御手段は、光照射の総時間が１秒以下となる範囲内にて、第１の発光出力を目標値として前記基板に第１の光照射を行うことにより、前記基板の表面温度を２００℃ないし８００℃の予備加熱温度からある程度の温度まで昇温し、前記第１の光照射に連続してピークが前記第１の発光出力および前記第１の光照射の発光出力の最大値よりも大きな第２の発光出力となる出力波形にて前記基板に第２の光照射を行うことにより、前記基板の表面温度を前記ある程度の温度から１０００℃以上の処理温度にまで昇温し、さらに前記ピークを過ぎた後に前記第２の光照射に連続して前記第２の発光出力よりも小さな発光出力にて前記基板に追加の第３の光照射を行うように前記光照射手段の発光出力を制御し、
   前記発光制御手段は、平均値が前記第１の発光出力であって前記第１の発光出力から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第１定出力照射を前記第１の光照射に含めるように前記光照射手段を制御し、
   前記第２の光照射の光照射時間は１ミリセカンド以上５ミリセカンド以下であり、
   前記発光制御手段は、平均値が前記第２の発光出力よりも小さな第３の発光出力であって前記第３の発光出力から±３０％以内の変動幅の範囲内で発光出力を５ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下維持する第２定出力照射を前記第３の光照射に含めるように前記光照射手段を制御し、
   前記スイッチング素子のゲートにパルス信号を印加することによって前記フラッシュランプに流れる電流を制御することにより、前記フラッシュランプから前記第１の光照射、前記第２の光照射および前記第３の光照射を行うことを特徴とする熱処理装置。
4. 請求項３記載の熱処理装置において、
   前記第３の発光出力は前記第１の発光出力よりも大きく、
   前記第３の光照射の光照射時間は前記第１の光照射の光照射時間よりも長いことを特徴とする熱処理装置。

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