JP6563142B2 - ミリ秒アニールシステムのための予熱プロセス - Google Patents

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Description

優先権の主張
本願は、２０１６年２月１日に出願された、米国仮特許出願第６２／２８９，５１９号、発明の名称「Ｐｒｅ−Ｈｅａｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｆｏｒ Ｍｉｌｌｉｓｅｃｏｎｄ Ａｎｎｅａｌ Ｓｙｓｔｅｍ」の優先権の利益を主張するものであり、この文献は参照によって本願に組み込まれる。
分野
本発明は、一般的に、基板、例えば半導体基板を処理するために使用される熱プロセスチャンバに関し、より詳細にはミリ秒アニール熱プロセスチャンバに関する。
背景技術
ミリ秒アニールシステムは、基板、例えばシリコンウェーハを超高速に熱処理するための半導体プロセスに使用することができる。半導体プロセスにおいては、ドーパント種の拡散を制御しつつ、それと同時に、注入ダメージを回復させるため、堆積された層の品質を向上させるため、層界面の品質を向上させるため、ドーパントを活性化させるため、また他の目的を達成するために、高速な熱処理をアニールステップとして使用することができる。
毎秒１０４℃を上回ることができる割合で基板の上面全体を加熱するために、集中的で短時間の露光を使用することによって、半導体基板のミリ秒の、または超高速の温度処理を達成することができる。基板の一方の表面のみを高速に加熱することによって、基板の厚さにわたり大きい温度勾配を生じさせることができ、その一方で、基板のバルクは、露光前の温度を維持する。したがって、基板のバルクはヒートシンクとして機能し、その結果、上面の高速な冷却速度が生じる。
概要
本発明の実施の形態の態様および利点は、下記の明細書において部分的に明らかになるか、明細書から理解されるか、または実施の形態の実践によって理解される。
本発明の１つの例示的な態様は、ミリ秒アニールシステムのための熱処理プロセスに関する。このプロセスは、ミリ秒アニールシステムのプロセスチャンバにおけるウェーハ支持体上に基板を収容すること；基板を中間温度に加熱すること；ミリ秒加熱閃光を使用して基板を加熱すること；を含んでいる。中間温度への基板の加熱の前に、このプロセスは、ソーク期間のためのプリベーク温度への基板の加熱を含んでいてよい。
本発明の他の例示的な態様は、基板を熱処理するための方法に関する。この方法は、プロセスチャンバを、上部チャンバおよび下部チャンバに分割するウェーハ面プレートを有するプロセスチャンバ内に基板を収容するステップを含む。この方法は、下部チャンバ近くに位置する１つ以上の加熱源を使用して基板をプリベーク温度に加熱するステップを含む。ソーク期間中、この方法は、基板の温度をほぼプリベーク温度に維持するステップを含む。ソーク期間後、この方法は、基板の温度を中間温度へと上昇させるために基板を加熱するステップを含んでいてよい。
本発明の他の例示的な態様は、半導体基板を熱処理するための、システム、方法、装置およびプロセスに関する。
種々の実施の形態のそれらの特徴、態様および利点ならびに他の特徴、態様および利点は、下記の明細書および添付の特許請求の範囲を参照することにより一層理解されるであろう。本願に組み込まれ、また本願の一部を成す添付の図面は、本発明の実施の形態を示しており、また明細書と共に、関連する原理を説明するために用いられる。
当業者に対する実施の形態の詳細な説明を、添付の図面を参照しながら下記に記す。
本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニール加熱プロフィールを示す。 本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニールシステムの一部の例示的な斜視図を示す。 本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニールシステムの分解図を示す。 本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニールシステムの断面図を示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおいて使用される例示的なランプの斜視図を示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムのウェーハ面プレートにおいて使用される例示的なエッジ反射器を示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおいて使用することができる例示的な反射器を示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおいて使用することができる例示的なアークランプを示す。 本発明の実施例による、例示的なアークランプの動作を示す。 本発明の実施例による、例示的なアークランプの動作を示す。 本発明の実施例による、例示的な電極の断面図を示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムにおいて使用される例示的なアークランプに水およびガス（例えばアルゴンガス）を供給するための例示的な閉ループシステムを示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステムのための例示的な温度測定システムを示す。 本発明の実施例による、半導体基板を加熱するためのタングステンハロゲンランプを備えている例示的なミリ秒アニールシステムを示す。 本発明の実施例による、ミリ秒アニール閃光用の中間温度への昇温前の、酸化種を放出するためのソーク期間中のプリベークによる加熱サイクルの例を示す。 本発明の実施例による、例示的な方法のフローチャートを示す。
以下では、複数の実施の形態をより詳細に説明し、またそれらの実施の形態のうちの１つまたは複数の例は、図面に図示されている。各実施例は、実施の形態の説明を目的として表されており、本発明の限定を目的として表されたものではない。実際には、当業者であれば、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、種々の修正および変更を実施の形態に対して行えることが分かるであろう。例えば、１つの実施の形態の一部として図示または説明された特徴を別の実施の形態と共に用いて、さらに別の実施の形態を創作することができる。したがって、本発明の態様がそのような修正および変更をカバーすることが意図されている。
概観
本発明の例示的な態様は、基板と誘電体膜との間の界面における酸化物の成長を低減する、または制限するためのミリ秒アニールシステムのための予熱プロセスに関する。説明および考察を目的として、本発明の態様を、「ウェーハ」または半導体ウェーハを参照しながら考察する。当業者であれば、本明細書における開示内容によって、本発明の例示的な態様を、任意の半導体基板または他の適切な基板に関連させて使用できることを理解するであろう。さらに、数値と関連させた「約」という語の使用は、記載された数値の１０％以内を表すことが意図されている。
毎秒１０４℃を上回ることができる割合でウェーハの上面全体を加熱するために、集中的で短時間の露光（例えば「閃光」）を使用することによって、半導体ウェーハのミリ秒の、または超高速の熱処理を達成することができる。典型的な熱処理サイクルには、以下のことが含まれると考えられる：（ａ）冷たい半導体基板をチャンバに搬入すること；（ｂ）例えば窒素ガス（大気圧）によってチャンバをパージすること；（ｃ）半導体基板を中間温度ＴＩに加熱すること；（ｄ）ウェーハのバルクの温度をＴＩに維持しながら、閃光による露光でもって半導体基板の上面をミリ秒にわたり加熱すること；（ｅ）半導体基板のバルクをヒートシンクに伝導性に接続した状態での半導体基板の上面の伝導冷却によって急速に冷却すること；（ｆ）大気圧のプロセスガスを冷却剤として用いて、熱放射および熱対流によって半導体基板のバルクを緩慢に冷却すること；（ｇ）半導体基板を再びカセットへと搬送すること。
熱処理サイクルにおけるこれらのプロセスステップの正確なパラメータ（例えば、持続時間、温度設定点、加熱率など）はいわゆるプロセスレシピに予め記載されている。このレシピをユーザによって編集することができ、また修正することができる。電子システムコントローラによって、実行時に、レシピを実施することができる。コントローラは、１つまたは複数のプロセッサおよび１つまたは複数のメモリデバイスを含むことができる。メモリデバイスは、レシピをコンピュータ可読命令として記憶することができ、このコンピュータ可読命令が、１つまたは複数のプロセッサによって実行されると、コントローラによってレシピが実施される。
システムは、１つまたは複数のメモリデバイスに記憶されている、事前に規定された複数のレシピを有することができる。用途または熱処理のタイプによって、どのレシピが実施されるかを決定することができる。例えば２５個の半導体基板を保持するカセットを収容しているＦＯＵＰ（Ｆｒｏｎｔ Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｐｏｄｓ）によって、半導体基板をシステムに搬入することができる。２５個の半導体基板のエンティティは、半導体基板の１つの「バッチ」または１つの「ロット」を成すことができる。一般的に、１つのロットは同一のレシピによって処理される。同一のレシピを用いる複数のロットの処理間に休止期間が存在しない場合、システムは連続モードで稼働していると言える。
このような処理サイクルが実施されるプロセスチャンバは典型的には、大気圧で制御されたガス雰囲気により作動される。幾つかの用途においては、酸素の存在を回避しなければならない。この目的のために、雰囲気ガスは純粋な窒素であってよい。アンモニア、水素、重水素、フォーミングガス、またはこれらの混合物のような別のガスを使用することもできる。他の用途は、広い範囲のガス雰囲気、例えば、酸素、オゾン、Ｎ２ＯおよびＮＯのような窒素酸化物、酸素と水素の混合物、ＮＦ３またはＨＣｌのようなハロゲン含有化合物、を使用することができる。
前のプロセスステップにおいて基板上に膜層（例えば、誘電体膜層）が堆積されている場合には、基板の熱処理中に膜の下で酸化物が成長することがある。膜自体内の残留酸素が酸化剤となることがある。酸化物はしばしば、半導体ウェーハのシリコンまたはシリコン・ゲルマニウム表面の界面に形成された酸化シリコンであり得る。このような酸化物は、装置の電気的パラメータの劣化をもたらす恐れがある。
例えば、堆積膜は、比較的高い誘電率を有する材料の膜であり得る。これら高誘電率（high-k）膜は、二酸化シリコンよりも大きい誘電率を有する。高誘電率膜は、トランジスタ用のゲート誘電体、またはキャパシタに用いられる誘電体を形成するためにしばしば使用される。これらの用途では、単位面積あたりの容量を最大化または増加させることが有効であり得る。しかしながら、高誘電率膜と半導体基板との間に酸化物が成長した場合、これは単位面積あたりの容量を減少させる傾向にある。
酸化速度は、酸化種の濃度および温度とともに上昇する。高誘電率膜はしばしば、原子層堆積法（ＡＬＤ）または有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって堆積され、その結果、堆積プロセスに使用される化学前駆体のような堆積プロセスからの残存不純物を含むことがある。例えば、Ｈ２Ｏ、ＯＨ、塩素または炭素のような種が膜内に残ることがある。これらの種の幾つかは、基板の望ましくない酸化を増加させることがあり、またはさもなければ電気的特性を低下させる場合がある。
膜から残留酸素を迅速に除去する１つのアプローチは、低圧水素雰囲気を用いることであってよい。水素は酸素種と化学反応することができ、すなわち生成される酸化物を還元することができる。
本発明の例示的な態様は、半導体ウェーハと誘電体膜との間の界面における酸化物の成長を低減するまたは制限する予熱プロセスを用いて半導体基板を熱処理することに関する。幾つかの実施の形態では、通常のミリ秒アニール加熱サイクルが実施される前に、半導体基板を、室温よりも高いプリベーク温度へと加熱することができる。
例えば１つの実施の形態では、熱処理プロセスは、ミリ秒アニールシステムのプロセスチャンバにおけるウェーハ支持体上に基板を収容すること；基板を中間温度に加熱すること、ミリ秒加熱閃光を使用して基板を加熱すること、を含んでいてよい。中間温度への基板の加熱の前に、このプロセスは、ソーク期間のためにプリベーク温度へ基板を加熱することを含んでいてよい。
幾つかの実施の形態において、プリベーク温度は、基板に付随する酸化の反応速度を減じるように選択される。幾つかの実施の形態において、プリベーク温度は、基板に付随する中間層の成長を阻止するように選択される。例えば、幾つかの実施の形態では、プリベーク温度は、約２００℃〜約５００℃の範囲である。幾つかの実施の形態では、ソーク期間は、約１００秒未満、３０秒未満のように、約０．５秒〜約１０分であってよい。
幾つか実施の形態では、このプロセスは、プロセスチャンバ内に雰囲気ガスを導入することを含んでいてよい。幾つかの実施の形態においては、雰囲気ガスは、窒素、アルゴン、またはヘリウムを含んでいてよい。幾つかの実施の形態においては、雰囲気ガスは大気圧であってよい。幾つかの実施の形態においては、雰囲気ガスは約１トル未満の圧力であってよい。幾つかの実施の形態では、雰囲気ガスは、水素、重水素、アンモニア、またはヒドラジン種のうちの１つ以上を含んでいてよい。幾つかの実施の形態では、このプロセスは、化学的還元種を生成するためにプラズマを誘導することを含んでいる。幾つかの実施の形態では、励起された種およびラジカルを生成するためにＵＶ光源が使用されてよい。
本発明の他の例示的な態様は、基板を熱処理するための方法に関する。この方法は、プロセスチャンバを、上部チャンバおよび下部チャンバに分割するウェーハ面プレートを有するプロセスチャンバ内に基板を収容するステップを含む。この方法は、下部チャンバ近くに位置する１つ以上の加熱源を使用して基板をプリベーク温度に加熱するステップを含む。ソーク期間中、この方法は、基板の温度をプリベーク温度付近に維持するステップを含む。ソーク期間後、この方法は、基板の温度を中間温度へと上昇させるために基板を加熱するステップを含んでいてよい。幾つかの実施の形態では、プリベーク温度は、約２００℃〜約５００℃の範囲であってよい。幾つかの実施の形態では、ソーク期間は約０．５秒〜約１０分であってよい。
幾つかの実施の形態では、この方法は、ソーク期間前またはソーク期間中に、プロセスチャンバ内に雰囲気ガスを導入するステップを含んでいてよい。雰囲気ガスは、水素、重水素、アンモニア、またはヒドラジン種のうちの１つ以上を含んでいてよい。幾つかの実施の形態では、この方法は、ソーク期間前またはソーク期間中に、化学的還元種を生成するためにプラズマをプロセスチャンバ内へと誘導するステップを含んでいてよい。幾つかの実施の形態では、励起された種およびラジカルを生成するためにＵＶ光が使用されてよい。
幾つかの実施の形態では、ソーク期間後、この方法は、基板の温度を中間温度へと上昇させるための基板を加熱するステップを含んでいてよい。中間温度への基板の加熱後に、この方法は、ミリ秒加熱閃光を使用して基板を加熱するステップを含んでいてよい。
例示的なミリ秒アニールシステム
例示的なミリ秒アニールシステムは、集中的で短時間の露光を提供して、例えば約１０４℃／ｓを上回ることができる割合で、ウェーハの上面を加熱するように構成することができる。図１には、ミリ秒アニールシステムを使用して達成される、半導体基板の例示的な温度プロフィール（温度変化）１００が示されている。図１に図示されているように、半導体基板（例えば、シリコンウェーハ）のバルクが、昇温フェーズ１０２中に中間温度ＴＩに加熱される。中間温度は、約４５０℃〜約９００℃の範囲であってよい。中間温度ＴＩに達すると、半導体基板の上面を、非常に短い集中的な閃光に晒すことができ、その結果、約１０４℃／ｓまでの加熱の割合（速度）が得られる。窓１１０は、短い集中的な閃光中の、半導体基板の温度プロフィールを示す。曲線１１２は、閃光による露光中の、半導体基板の上面の急速な加熱を示す。曲線１１６は、閃光による露光中の、半導体基板のその他の部分またはバルクの温度を表す。曲線１１４は、ヒートシンクとして機能する半導体基板のバルクを介する、半導体基板の上面の伝導冷却による急速な冷却を示す。半導体基板のバルクは、基板に関する迅速な上面冷却速度を生じさせるヒートシンクとして機能する。曲線１０４は、冷却剤としてのプロセスガスを用いる、熱放射および熱対流による半導体基板のバルクの緩慢な冷却を示す。本発明の例示的な態様によれば、熱処理プロセスは、基板を中間温度に加熱する前に、半導体基板をソーク期間のためのプリベーク温度へと加熱することを含んでいてよい（図１５参照）。
例示的なミリ秒アニールシステムは、例えば半導体基板の上面をミリ秒の時間で露光するための、つまり、いわゆる「閃光」を生じさせるための光源として、複数のアークランプ（例えば、４つのアルゴンアークランプ）を含むことができる。基板が中間温度（例えば、約４５０℃〜約９００℃）に加熱されると、閃光を半導体基板に供給することができる。複数の連続モードアークランプ（例えば、２つのアルゴンアークランプ）または別のランプ（例えば、タングステンランプ）を使用して、半導体基板をプリベーク温度および／または中間温度に加熱することができる。幾つかの実施の形態においては、プリベーク温度および／または中間温度への半導体基板の加熱が、ウェーハのバルク全体を加熱する昇温割合で、半導体基板の下面を介して達成される。
図２から図５には、本発明の実施例による、例示的なミリ秒アニールシステム８０の種々の態様が図示されている。図２から図４に図示されているように、ミリ秒アニールシステム８０は、プロセスチャンバ２００を含むことができる。プロセスチャンバ２００を、ウェーハ面プレート２１０によって、上部チャンバ２０２および下部チャンバ２０４に分割することができる。半導体基板６０（例えばシリコンウェーハ）を、ウェーハ支持プレート２１４（例えば、ウェーハ面プレート２１０に挿入された石英ガラスプレート）に取り付けられている支持ピン２１２（例えば、石英支持ピン）によって支持することができる。
図２および図４に図示されているように、ミリ秒アニールシステム８０は、例えば半導体基板６０の上面をミリ秒の時間で露光するための、つまり、いわゆる「閃光」を生じさせるための光源として、上部チャンバ２０２の近傍に配置されている、複数のアークランプ２２０（例えば、４つのアルゴンアークランプ）を含むことができる。基板が中間温度（例えば、約４５０℃〜約９００℃）に加熱されると、閃光を半導体基板に供給することができる。
下部チャンバ２０４の近傍に設けられている、複数の連続モードアークランプ２４０（例えば、２つのアルゴンアークランプ）を使用して、半導体基板６０をプリベーク温度および／または中間温度に加熱することができる。幾つかの実施の形態においては、プリベーク温度および／または中間温度への半導体基板６０の加熱が、下部チャンバ２０４から、半導体基板６０のバルク全体を加熱する昇温割合で、半導体基板の下面を介して達成される。
図３に図示されているように、半導体基板６０を加熱するための、（例えば、中間温度への半導体基板の加熱に使用するための）下部アークランプ２４０からの光、および（例えば、閃光によるミリ秒の加熱の提供に使用するための）上部アークランプ２２０からの光を、水の窓２６０（例えば、水冷式の石英ガラス窓）を介して、プロセスチャンバ２００に入射させることができる。幾つかの実施の形態においては、水の窓２６０は、２つの石英ガラス板から成るサンドイッチ構造を含むことができ、それら２つの石英ガラス板の間において、約４ｍｍの厚さの水の層が石英板を冷却するために循環しており、また例えば約１，４００ｎｍを上回る波長に対する光学的なフィルタを提供することができる。
さらに図３に図示されているように、プロセスチャンバ壁２５０は、加熱光を反射するための反射性のミラー２７０を含むことができる。反射性のミラー２７０は、例えば、水冷式の研磨されたアルミニウムパネルであってよい。幾つかの実施の形態においては、ミリ秒アニールシステムにおいて使用されるアークランプのメインボディは、ランプ放射に関する反射器を含むことができる。例えば、図５には、ミリ秒アニールシステム８０において使用することができる、上部ランプアレイ２２０および下部ランプアレイ２４０の両方の斜視図が示されている。図示されているように、各ランプアレイ２２０および２４０のメインボディは、加熱光を反射するための反射器２６２を含むことができる。それらの反射器２６２は、ミリ秒アニールシステム８０のプロセスチャンバ２００の反射表面の一部を形成することができる。
半導体基板の温度均一性を、半導体基板の異なる領域に入射する光の密度を操作することによって制御することができる。幾つかの実施の形態においては、メイン反射器に対して小型の反射器の反射等級を変更することによって、かつ／またはウェーハを包囲するウェーハ支持面に取り付けられたエッジ反射器の使用によって、均一性の調整を達成することができる。
例えば、下部ランプ２４０からの光を半導体基板６０の縁部に再度方向付けるために、エッジ反射器を使用することができる。一例として、図６には、例示的なエッジ反射器２６４が図示されており、このエッジ反射器２６４はウェーハ面プレート２１０の一部を形成していて、下部ランプ２４０からの光を半導体基板６０の縁部に方向付けるために使用することができる。エッジ反射器２６４を、ウェーハ面プレート２１０に取り付けることができ、またこのエッジ反射器２６４は、半導体基板６０を取り囲むことができる、または少なくとも部分的に取り囲むことができる。
幾つかの実施の形態においては、ウェーハ面プレート２１０の近傍のチャンバ壁に、付加的な反射器を取り付けることもできる。例えば、図７には、加熱光のための反射器ミラーとして機能することができ、またプロセスチャンバ壁に取り付けることができる、例示的な反射器が図示されている。より詳細には、図７には、下部チャンバ壁２５４に取り付けられている、例示的なくさび形反射器２７２が示されている。また図７には、上部チャンバ壁２５２の反射器２７０に取り付けられている反射性の素子２７４も示されている。半導体基板６０の処理の均一性を、プロセスチャンバ２００における、くさび形反射器２７２および／または他の反射性の素子（例えば反射性の素子２７４）の反射等級を変更することによって調整することができる。
図８から図１１には、半導体基板６０の上面をミリ秒の時間で集中的に露光するための（例えば「閃光」を生じさせるための）光源として使用することができる、例示的な上部アークランプ２２０の種々の態様が図示されている。例えば、図８には、例示的なアークランプ２２０の横断面図が示されている。アークランプ２２０は、例えば、オープンフローのアークランプであってよく、このアークランプでは、加圧されたアルゴンガス（または他の適切なガス）がアーク放電中に高圧プラズマに変換される。アーク放電は、負に帯電されたカソード２２２と、そこから距離を置いて設けられている（例えば、約３００ｍｍ離隔されている）、正に帯電されたアノード２３０との間の石英管２２５において行われる。カソード２２２とアノード２３０との間の電圧が、アルゴンの降伏電圧（例えば、約３０ｋＶ）または他の適切なガスの降伏電圧に達すると、安定した低誘導性のプラズマが即座に形成され、このプラズマが電磁スペクトルの可視範囲およびＵＶ範囲の光を放射する。図８に図示されているように、ランプは、半導体基板６０の処理のためにランプによって提供された光を反射するために使用することができるランプ反射器２６２を含むことができる。
図１０および図１１には、本発明の実施例による、ミリ秒アニールシステム８０におけるアークランプ２２０の例示的な動作の異なる態様が図示されている。より詳細には、プラズマ２２６が、水壁２２８によって内側から水冷される石英管２２５内に包含されている。水壁２２８は、高い流速でランプ２２０のカソード端部に注入され、またアノード端部において排出される。同一のことが、アルゴンガス２２９についても当てはまり、このアルゴンガス２２９もまた、カソード端部においてランプ２２０に供給され、アノード端部から排出される。水壁２２８を形成する水は、遠心作用が水の渦を生じさせるように、ランプの軸線に対して垂直に注入される。したがって、ランプの中心線に沿って、アルゴンガス２２９のためのチャネルが形成される。アルゴンガス柱２２９は、水壁２２８と同一方向に回転する。プラズマ２２６が形成されると、水壁２２８は石英管２２５を保護し、かつプラズマ２２６を中心軸線に向かって閉じ込める。水壁２２８および電極（カソード２３０およびアノード２２２）のみが、高エネルギのプラズマ２２６と直接的に接触する。
図１１には、本発明の実施例による、アークランプと共に使用される例示的な電極（例えば、カソード２３０）の断面図が示されている。図１１には、カソード２３０が図示されている。しかしながら、類似の構成をアノード２２２に対して使用することができる。
幾つかの実施の形態においては、電極が高い熱負荷に晒されるので、電極のうちの一方または両方がそれぞれ先端部２３２を含むことができる。この先端部をタングステンから作製することができる。またこの先端部を水冷式の銅製ヒートシンク２３４に接合かつ／または融着させることができる。銅製ヒートシンク２３４は、電極の内部冷却システムの少なくとも一部（例えば、１つまたは複数の水冷チャネル２３６）を含むことができる。電極はさらに、水または他の液体の循環および電極の冷却を提供するための水冷チャネル２３６を備えている真鍮製ベース部２３５を含むことができる。
本発明の態様による例示的なミリ秒アニールシステムにおいて使用されるアークランプは、水およびアルゴンガスのための、オープンフローのシステムであってよい。しかしながら幾つかの実施の形態においては、保存上の理由から、両媒体を閉ループ系において循環させることができる。
図１２には、本発明の実施例によるミリ秒アニールシステムにおいて使用される、オープンフローのアルゴンアークランプを動作させるために必要とされる水およびアルゴンガスを供給するための、例示的な閉ループ系３００が図示されている。
より詳細には、高純度水３０２およびアルゴン３０４がランプ２２０に供給される。高純度水３０２は、水壁および電極の冷却のために使用される。ランプから送り出されるものは、ガス／水混合物３０６である。この水／ガス混合物３０６は、ランプ２２０の入口に再び供給できるようになる前に、セパレータ３１０によって、ガスを含まない水３０２および乾性のアルゴン３０４に分離される。ランプ２２０を介する所要圧力降下を生じさせるために、ガス／水混合物３０６が、水駆動式のジェットポンプ３２０を用いてポンピングされる。
高出力電動ポンプ３３０は、ランプ２２０における水壁を駆動させるための水圧、ランプ電極のための冷却水、およびジェットポンプ３２０のための駆動流を供給する。ジェットポンプ３２０の下流側に設けられているセパレータ３１０を、混合物（アルゴン）から液相および気相を抽出するために使用することができる。アルゴンはさらに、ランプ２２０に再び流入する前に、コアレッシングフィルタ３４０において乾燥される。必要に応じて、付加的なアルゴンをアルゴン源３５０から供給することができる。
アークによって水中に放出された粒子を除去するために、水は１つまたは複数の粒子フィルタ３５０を通過する。イオン性汚染は、イオン交換樹脂によって除去される。水の一部は、混床イオン交換フィルタ３７０を通過する。イオン交換バイパス３７０への入口弁３７２を、水の抵抗率によって制御することができる。水の抵抗率が下側の値よりも低下すると弁３７２が開かれ、水の抵抗率が上側の値に達すると、弁３７２が閉じられる。システムは、活性炭フィルタバイパスループ３８０を含むことができ、そこでは水の一部を付加的に濾過して、有機汚染を除去することができる。水温を維持するために、水は熱交換器３９０を通過することができる。
本発明の実施例によるミリ秒アニールシステムは、半導体基板の両表面（例えば、上面および下面）の温度を独立して測定するための能力を有することができる。図１３には、ミリ秒アニールシステム８０のための例示的な温度測定システム１５０が図示されている。
ミリ秒アニールシステム８０の簡略化された図が図１３に示されている。半導体基板６０の両面の温度を、複数の温度センサによって、例えば温度センサ１５２および温度センサ１５４によって独立して測定することができる。温度センサ１５２は、半導体基板６０の上面の温度を測定することができる。温度センサ１５４は、半導体基板６０の下面を測定することができる。幾つかの実施の形態においては、約１，４００ｎｍの測定波長を有している、狭帯域高温測定センサを、例えば半導体基板６０の中心領域の温度を測定するための温度センサ１５２および／または温度センサ１５４として使用することができる。幾つかの実施の形態においては、温度センサ１５２および１５４が、閃光による加熱によって生じるミリ秒温度スパイクを分解するには十分な高さであるサンプリングレートを有している、超高速放射計（ＵＦＲ：ｕｌｔｒａ−ｆａｓｔ ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ）であってよい。
温度センサ１５２および１５４の読取り値は、補償された放射率であってよい。図１３に図示されているように、放射率補償スキームは、診断用閃光１５６と、基準温度センサ１５８と、半導体ウェーハの上面および下面を測定するように構成されている温度センサ１５２および１５４と、を含むことができる。診断用加熱および測定値を、診断用閃光１５６（例えば、試験用閃光）と共に使用することができる。基準温度センサ１５８からの測定値を、温度センサ１５２および１５４の放射率補償のために使用することができる。
幾つかの実施の形態においては、ミリ秒アニールシステム８０が、水の窓を含むことができる。水の窓は、温度センサ１５２および１５４の測定帯域にあるランプ放射を抑制する光学フィルタを提供することができ、それによって温度センサ１５２および１５４は、半導体基板に由来する放射のみを測定する。
温度センサ１５２および１５４の読取り値を、プロセッサ回路１６０に供給することができる。プロセッサ回路１６０を、ミリ秒アニールシステム８０のケーシング内に配置することができるが、代替的には、プロセッサ回路１６０を、ミリ秒アニールシステム８０から離れた場所に配置することができる。本明細書に記載する種々の機能を、所望される場合には、単一のプロセッサ回路によって実行することができるか、または局所的なプロセッサ回路および／または遠隔のプロセッサ回路の他の組合せによって実行することができる。
下記において詳細に考察するように、温度測定システムは、別の温度センサを含むことができ、例えば、ウェーハ支持プレートの１つまたは複数の温度測定値を取得するように構成されている（例えば、図１６に図示されているような）温度センサ、および／または例えば約４５０℃を下回る温度、例えば約３００℃未満、例えば約２５０℃未満の温度において、半導体基板の１つまたは複数の温度測定値を取得するように構成されている（例えば、図２２に図示されているような）遠赤外線温度センサを含むことができる。プロセッサ回路１６０は、温度センサから取得した測定値を処理して、半導体基板および／またはウェーハ支持プレートの温度を求めるように構成することができる。
半導体基板を中間温度Ｔｉに加熱するための代替源は、下部プロセスチャンバに配置されている複数のタングステンハロゲンランプから成るアレイであってよい。例えば、２つの連続モードアークランプは、２５０ｋＷの総出力のために、それぞれ１２５ｋＷの電力を有することができる。それぞれが６ｋＷを有している４０個のタングステンハロゲンランプから成るアレイによって、同一の出力を提供することができる。図１４には、半導体基板６０をプリベーク温度および／または中間温度Ｔｉに加熱するためのタングステンハロゲンランプ２４５を備えている例示的なミリ秒アニールシステムが図示されている。ハロゲンランプを用いる加熱の利点は、経済的な利点である。タングステンハロゲンランプは、廉価であると考えられ、またより長い耐用年数を有することができる。また、タングステンハロゲンランプは、高価な水冷式ユニットおよび水処理ユニットを必要とせずに、電気的な接続部だけを必要とすると考えられる。
酸化物の成長を減少させるための予熱プロセスの例
本発明の例示的な態様は、基板と誘電体膜との間の界面における酸化物の成長を低減しながら、または中間層の厚さを低減しながら、ウェーハを熱処理することに関する。本発明の例示的な態様による予熱プロセスはさらに、望ましくない不純物の影響を排除することによって膜積層体の電気的品質を改善することができる。
幾つかの実施の形態では、通常の加熱サイクルが実施される前に、半導体基板を、室温よりも高く中間温度よりも低いプリベーク温度へと加熱することができる。プリベーク温度の上限温度は、酸化する反応速度が中間層成長を阻止するために十分低いように設定することができる（例えば、典型的には＜約５００℃）。プリベーク温度の下限は、酸化種または他の望ましくない種の除去を十分に短い時間で完了するために、酸化種または他の望ましくない種の放出速度が十分高くなるように、設定することができる（例えば、典型的には＞約２００℃）。
プリベーク温度で経過する時間は、望ましくない種が膜を離れるのに十分な時間が提供されるのを確実にすると同時に、最適化されたウェーハ処理量のための最短の総処理時間が提供されるように選択（例えば、最適化）することができる。この時間を「ソーク（ｓｏａｋ）期間」と呼ぶことができる。幾つかの実施の形態では、プリベーク温度におけるソーク期間は、約１００秒未満、約３０秒未満のように、約０．５秒〜１０分であってよい。
プロセス全体は、大気圧の窒素、アルゴンまたはヘリウムのような比較的不活性なガス雰囲気中で行うことができるが、低圧の環境、例えば１トル未満の圧力で行うこともできる。プロセス全体は、望ましくない種の除去を助成し、酸化物の還元を助け、残存する何らかの酸化種と反応する種の支援により行われてもよい。この目的のために、ガス雰囲気は、水素、重水素、アンモニア、またはヒドラジン種を含んでいてもよい。これらのガスは、比較的不活性のガス種の１つと混合されてよい。
ウェーハ温度を比較的低く維持しながら、化学的還元種を生成するためにプラズマ源を使用することにより反応速度を増加させることもできる。例えば、プラズマ源は、半導体基板の近傍に水素または重水素ラジカルを供給することができる。ここでは主に還元種に焦点を当てているが、低温ソーク中に酸化種を使用することもできる。この酸化種は、温度が十分低く保たれ、これらの種自体が中間層の成長を引き起こさない程度に十分短いソーク時間であるように提供されている。例えば、（プラズマからの）酸化分子または酸化ラジカルのような酸化種は、膜またはその表面の不純物を除去するのを助けることができる。反応種は、加熱アークランプまたはその他のＵＶ源のようなＵＶエネルギ源によって発生させることもできる。
図１５には、本発明の実施例による、ミリ秒アニール閃光のための中間温度への昇温前の酸化種を放出するためのソーク期間中のプリベークを伴う加熱サイクルの例が図示されている。図示したように、反応種６４を有した膜６２を含む基板６０を、プリベーク温度ＴPRE-BAKEまで加熱することができる。プリベーク温度ＴPRE-BAKEは、例えば約２００℃〜約５００℃の範囲であってよい。基板６０は、ソーク期間ＴSOAKの間、プリベーク温度に維持することができる。ソーク期間ＴSOAKの間に反応種６４を放出することができる。ソーク期間ＴSOAKは、例えば、約１００秒未満、約３０秒未満のように、約０．５秒〜約１０分の範囲であってよい。次いで温度を、本発明の実施例によるミリ秒アニール閃光を受容する前に中間温度へと上昇させることができる。
図１６には、本発明の実施例による、例示的な方法（４００）のフローチャートが図示されている。図１６には、説明および考察を目的として、特定の順序で実行される複数のステップが示されている。当業者であれば、本明細書における説明によって、本明細書に開示する方法のうちのいずれかの種々のステップを、本発明の範囲から逸脱することなく、省略、拡張、修正、類似の実施かつ／または整理できることを理解するであろう。
（４０２）において、この方法は、ミリ秒アニールシステムのプロセスチャンバにおけるウェーハ支持部に基板を収容するステップを含んでいてよい。例えば、ミリ秒アニールシステムと協働するプロセスチャンバを上部チャンバと下部チャンバとに分割するウェーハ面プレートの一部として設けられたウェーハ支持部上に基板を収容することができる。
（４０４）において、この方法は、プリベーク温度へ基板を加熱するステップを含んでいてよい。上述したように、プリベーク温度は、基板の酸化の反応速度を減じるように、かつ／または中間層の成長を阻止するように選択することができる。幾つかの実施の形態では、プリベーク温度は、約２００℃〜約５００℃の範囲であってよい。幾つかの実施の形態においては、ミリ秒アニールシステムの下部チャンバ近傍に配置されている熱源（例えばアークランプ、タングステンハロゲンランプ）を使用して、基板をプリベーク温度へと加熱することができる。
（４０６）において、この方法は、ソーク期間を終了するかどうかを決定するステップを含んでいてよい。ソーク期間は、望ましくない種を膜から離脱させるのに十分である程度に長く、かつ総プロセス時間に不要な作用を与える程には長くないように提供される時間の期間であってよい。幾つかの実施の形態では、プリベーク温度におけるソーク期間は、約１００秒未満、約３０秒未満のように、約０．５秒〜約１０分であってよい。
ソーク期間が終了しない場合は、この方法は、（４０８）に示したように、プリベーク温度に維持するステップを含んでいてよい。この方法は付加的に、（４１０）に示したように、望ましくない種の除去を助成し、酸化物の還元を助け、何らかの残存する酸化種と反応する雰囲気ガス種を導入するステップを含んでいてもよい。例えば、雰囲気ガスは、水素、重水素、アンモニア、および／またはヒドラジン種を含むことができる。これらのガスは、比較的不活性のガス種の１つ、例えば窒素と混合されてよい。
幾つかの実施の形態では、この方法は（４１０）で、ウェーハ温度を比較的低く維持しながら、化学的還元種を生成するためのプラズマを誘導するプラズマ源を使用するステップを含んでいてもよい。例えば、プラズマ源は、半導体基板の近傍に水素または重水素ラジカルを供給することができる。
膜における欠陥の不動態化処理により膜品質を向上させるために種を使用することもできる。例えば、酸素または窒素含有種は欠陥の不動態化処理に役立つことができるが、プロセス条件は、酸化物中間層の成長の程度を制限するように選択されなければならない。この欠陥不動態化プロセスを助成するためには、低温ソーク条件を選択することができる。不純物除去および欠陥不動態化処理を支援する励起種およびラジカルを生成するために紫外線（ＵＶ）放射源を使用することも有効であり得る。ＵＶエネルギ源は、３５０ｎｍ未満の波長で顕著な放射出力を生成する、システム内の任意のアークランプであってよい。例えばＵＶ波長は、酸素、窒素、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、ヒドラジン、水素、アンモニア、水蒸気、および／またはトリクロロエチレン、ジクロロエチレン、トリクロロエタン、ＨＣｌ、またはＮＦ３のようなハロゲン含有種を励起して、励起された分子およびラジカル、またはオゾンのような他の化学種をも含む様々な反応種を生成することができる。これらの種は、ウェーハ近くの気相中でＵＶ放射を吸収することにより、またはウェーハ表面で、またはウェーハ表面上の膜に吸収された種の励起によっても生成することができる。ＵＶ光を提供するために、他のＵＶエネルギ源、例えばＸｅまたはＫｒアークランプのような別のアークランプを使用することができる。Ｈｇランプ、重水素ランプ、エキシマランプ、ＵＶレーザ、またはＵＶ ＬＥＤも使用することができる。比較的短いＵＶ波長（例えば、約２５０ｎｍ未満）を生成する光源は、アンモニアから発生した励起窒素種を含む幾つかの用途に有用であり得る。
ソーク期間が完了すると、この方法は、（４１２）に示すように、ミリ秒アニール閃光のためのプロセスチャンバを準備するステップを含んでいてよい。例えば、（４１０）で導入された雰囲気ガスがパージされてよく、不活性ガス（例えば、窒素ガス）をプロセスチャンバ内に導入することができる。次いでこの方法は、中間温度に基板を加熱するステップ（４１４）と、本明細書に記載されたミリ秒アニール閃光を使用して基板を加熱するステップ（４１６）とを含んでいてよい。
本発明の対象を、本発明の特定の実施例を参照しながら詳細に説明したが、当業者であれば、上記の記載を理解することによって、そのような実施の形態の代替形態、変形形態および等価形態を容易に創作できることは明らかである。したがって、本明細書の範囲は、限定的なものではなく、むしろ例示的なものであり、また本発明の対象は、当業者には容易に明らかになるであろう、本発明の対象に対するそのような修正、変更および／または追加が含まれることを排除するものではない。

Claims (20)

  1. ミリ秒アニールシステムのための熱処理プロセスにおいて、前記プロセスは、
    ミリ秒アニールシステムのプロセスチャンバにおけるウェーハ支持部に基板を収容すること、
    前記基板を中間温度に加熱すること、および
    前記中間温度への前記基板の加熱後、次いでミリ秒加熱閃光を使用して前記中間温度を上回る温度に前記基板を加熱すること、を含み、
    前記ミリ秒加熱閃光は、毎秒１０ ４ ℃を上回る速度で前記基板の上面全体を加熱するように構成されており、
    前記中間温度への前記基板の加熱の前に、当該プロセスは、ソーク期間中に維持されるべきプリベーク温度に前記基板を加熱することを含んでおり、
    前記基板を中間温度に加熱することは、前記プリベーク温度から前記中間温度まで前記基板の温度を昇温させることによって行われる、
    ミリ秒アニールシステムのための熱処理プロセス。
  2. 前記プリベーク温度は、前記基板について酸化の反応速度を減じるように選択される、請求項１記載の熱処理プロセス。
  3. 前記プリベーク温度は、前記基板について中間層の成長を阻止するように選択される、請求項１記載の熱処理プロセス。
  4. 前記プリベーク温度は、約２００℃〜約５００℃の範囲である、請求項１記載の熱処理プロセス。
  5. 前記ソーク期間は約０．５秒〜約１０分である、請求項１記載の熱処理プロセス。
  6. 前記ソーク期間は約１００秒未満である、請求項１記載の熱処理プロセス。
  7. 前記ソーク期間は約３０秒未満である、請求項１記載の熱処理プロセス。
  8. 当該プロセスは、前記プロセスチャンバ内に雰囲気ガスを導入することを含んでいる、請求項１記載の熱処理プロセス。
  9. 前記雰囲気ガスは、窒素、アルゴン、またはヘリウムを含んでいる、請求項８記載の熱処理プロセス。
  10. 前記雰囲気ガスは大気圧である、請求項８記載の熱処理プロセス。
  11. 前記雰囲気ガスは、約１トル未満の圧力にある、請求項８記載の熱処理プロセス。
  12. 前記雰囲気ガスは、水素、重水素、アンモニア、またはヒドラジン種のうちの１つ以上を含んでいる、請求項８記載の熱処理プロセス。
  13. 当該プロセスは、化学的還元種を生成するためにプラズマを誘導することを含んでいる、請求項１記載の熱処理プロセス。
  14. 当該プロセスは、ＵＶ光を使用して種を生成することを含んでいる、請求項１記載の熱処理プロセス。
  15. ミリ秒アニールシステムにおいて基板を熱処理するための方法であって、前記方法は、
    ミリ秒アニールシステムのプロセスチャンバを上部チャンバおよび下部チャンバに分割するウェーハ面プレートを有する前記プロセスチャンバ内に、基板を収容するステップと、
    前記下部チャンバ近くに位置する１つ以上の加熱源を使用して前記基板をプリベーク温度に加熱するステップと、を含んでおり、
    ソーク期間中に、当該方法は、前記基板の温度をほぼ前記プリベーク温度に維持するステップを有していて、前記ソーク期間後に、当該方法は、昇温フェーズ中に、前記基板の温度を前記プリベーク温度から中間温度へと上昇させる昇温過程を用いて前記基板を加熱するステップを含んでおり、
    当該方法は、前記昇温フェーズ中に前記基板の温度を前記プリベーク温度から前記中間温度に昇温させるための前記基板の加熱後に、ミリ秒加熱閃光を使用して前記中間温度を上回る温度に前記基板を加熱するステップを含んでおり、前記ミリ秒加熱閃光は、毎秒１０ ４ ℃を上回る速度で前記基板の上面全体を加熱するように構成されている、
    ミリ秒アニールシステムにおいて基板を熱処理するための方法。
  16. 前記ソーク期間前または前記ソーク期間中に、当該方法は、前記プロセスチャンバ内に雰囲気ガスを導入するステップを含んでいる、請求項１５記載の方法。
  17. 前記雰囲気ガスは、水素、重水素、アンモニア、またはヒドラジン種のうちの１つ以上を含んでいる、請求項１６記載の方法。
  18. 前記ソーク期間前または前記ソーク期間中に、当該方法は、化学的還元種を生成するために前記プロセスチャンバ内にプラズマを誘導するステップを含んでいる、請求項１５記載の方法。
  19. 前記プリベーク温度は、約２００℃〜約５００℃の範囲である、請求項１５記載の方法。
  20. 前記ソーク期間は約０．５秒〜約１０分である、請求項１５記載の方法。
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