JPH04121732U

JPH04121732U - 短時間アニール装置

Info

Publication number: JPH04121732U
Application number: JP3611191U
Authority: JP
Inventors: 清嗣田中
Original assignee: ソニー株式会社
Priority date: 1991-04-20
Filing date: 1991-04-20
Publication date: 1992-10-30

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】短時間アニール技術において、ウェハの中央
部と外周部との特性の不均一性を解消し、ウェハの全面
に亘ってスリップラインのない良好な特性を得られるよ
うにする。【構成】半導体基板１をサセプタ２上に載置し、主と
してそのサセプタ２からの熱伝達によって半導体基板１
を短時間加熱して短時間アニールを行う装置において、
中央部に半導体基板の直径の５０％より大きく９０％未
満の直径の穴を有し、かつ外周部に通気性を持たせたリ
ング状の覆い７をサセプタ２上に載せる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、短時間アニール装置に関する。さらに詳しくは、ハロゲンランプ等を用いて短時間アニールするための装置であって、半導体基板全面に亘って均一な特性を付与する短時間アニール装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

ハロゲンランプ等を用いた短時間アニール技術（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌ）は、半導体基板の製造工程において、基板を１０秒程度で約９００〜１０００℃あるいはそれ以上に加熱するアニール技術であり、従来の電気炉を用いたアニール技術に比べて、基板中にドープされているキャリアの熱拡散を最少限に抑制して高濃度に活性化し、急峻なキャリアプロファイルを得ることを可能とする。またこの場合、基板への熱的影響も少ない。

【０００３】このため、従来より短時間アニール技術はイオン注入後のアニール、固体ソースからの不純物の拡散、ポリシリコンのアニール、ヘテロ接合系各種デバイスの高性能化など種々の用途への応用が期待され試みられている。中でも、ショットキ型電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）や接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）等の製造プロセスにおけるイオン注入後のアニール技術として研究開発が進められている。

【０００４】しかしながら、短時間アニール技術は、基本的に半導体材料に対して高温短時間の処理をする技術であり、その半導体材料自体も一般に熱源からのエネルギーの吸収効率や熱伝導特性が低いことから、半導体基板、半導体基板の保持体（以下、サセプタという）、加熱炉本体および雰囲気ガスが熱的平衡にならない。このため、半導体基板の温度の均一性を得ることが難しく、温度制御も困難となる。それ故、得られる製品の特性は再現性に乏しくなり、短時間アニール技術を実用化する上での問題となっていた。

【０００５】たとえば、一般的な短時間アニールの装置構成として、サセプタ上にウェハを載置し、そのサセプタの下側からハロゲンランプ等を用いて加熱するようにした場合、ウェハはサセプタからの熱伝達によって加熱されるが、ウェハ表面から対流熱伝達および輻射熱伝達により熱が逃げる結果、ウェハの厚み方向に温度分布が生じる。このため、サセプタ側（下側）は表面側（上側）よりも熱膨張量が大きくなり、ウェハは反り上がり、ウェハの周辺部はサセプタら離れてしまう。その結果、ウェハの周辺部はサセプタからの熱伝達量が減少し、またウェハ周辺のエッジ部からの輻射によるエッジ放熱効果もあいまって、中央部に比べて温度が低くなる。こうしてウェハ内は温度分布が不均一となり、熱応力が生じる。このため、短時間アニールしたウェハの特性をその全面にわたって均一にすることが困難となる。特に大口径ウェハを対象とする場合にはウェハ内の温度分布の不均一性が大きくなることから、スリップラインと言われる結晶欠陥も生じ易くなる。またこのような短時間アニール技術をＧａＡｓ等の化合物半導体の製造プロセスに適用した場合には、Ａｓ等のＶ族元素が基板から解離するという問題も生じる。

【０００６】このような問題に対して、これまでに熱伝達特性の優れたカーボン製のサセプタを用い、さらにウェハを蓋で密封し、ウェハを間接的熱伝達により加熱して温度の均一性や制御性を確保すること（J.Appl.Phys.,Vol66,663(1989)）などが提案されている。またＡｓＨ_３の熱分解によるＡｓ圧を印加することによりウェハからのＡｓの解離を防止することもなされている。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、熱伝達特性の優れたカーボン製のサセプタを用い、ウェハを蓋で覆い、さらにＡｓ圧を印加しても、ウェハ全面に亘って均一な温度を得ることは困難であり、スリップラインの発生を解消することもできなかった。また蓋でウェハを密封すると、ウェハに対してＡｓ圧を印加する等のガス雰囲気の調整がかえって困難となり、均一な特性のウェハを得ることが一層困難となっていた。それ故、短時間アニール技術を集積回路あるいは単体デバイスの量産に適用することは依然として妨げられていた。

【０００８】以上のような従来技術の課題に対し、この考案者は既に、ウェハをカーボン製のサセプタ上に載せてそのサセプタからの熱伝達により短時間アニールを行う装置であって、ウェハの保持体にエッジ放熱効果を抑制するためのガードリングを形成し、さらにウェハの外周部のみを覆うリング状の蓋を設けたものを提案している（実願平２−７５６３４号明細書）。この装置によれば、サセプタにガードリングが形成されているので従来例に比べてウェハ内の温度分布が均一となり、また、蓋がリング状となっているのでウェハに対して必要な雰囲気ガスを印加することもでき、良好で均一な特性のウェハを得ることが可能となる。しかし、ウェハの周辺部は中央部と比べて雰囲気ガスの置換効率が低くなるので特性が低下することがあった。そのため、さらに均一な特性のウェハを得られるようすることが望まれていた。

【０００９】そこで、この考案は、ウェハの特性の中央部と外周部との不均一性を解消し、良好な特性をウェハの全面にわたって得られるようにすることを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

上記の目的するため、この考案は、略円板状の半導体基板を保持体上に載せて保持体を加熱手段で短時間加熱し、主として前期保持体からの熱伝達によって前期半導体基板の短時間アニールを行う装置において、中央部に穴を有し、かつ外周部に通気性を持たせたリング状の覆いを保持体上に載せる短時間アニール装置を提供する。

【００１１】この考案の短時間アニール装置は、基本的装置構成としては従来のハロゲンランプ等を用いた短時間アニール装置と同様に、半導体基板を載置するサセプタ、サセプタに載置した半導体基板の蓋となる覆い、サセプタを介して半導体基板を加熱するハロゲンランプ等の熱源、雰囲気ガス調整手段を有することができる。ただし、その蓋となる覆いとしては中央部に穴を有し、半導体基板の外周部のみを覆うリング状の覆いであって、さらに半導体基板の外周部に通気性を持たせるようにしたものを使用することを特徴としている。

【００１２】このようなリング状の覆いの具体的形状としては、半導体基板の外周部に通気性を持たせることのできる構造であれば種々のものとすることができる。例えば、覆いをサセプタの所定の位置に載置した場合に、その覆いの本体がサセプタからある程度浮き上った状態で支持されるように覆いの周辺部に足を設けたものや、覆いをサセプタの所定の位置に載置した場合に、半導体基板の外周部の上に位置する覆いの区域に開口部を設けたものなどを挙げることができる。

【００１３】またこのようなリング状の覆いの中央部の穴の大きさは、半導体基板の大きさや形状、アニール時の加熱条件などに応じて定められるが、略円板状の半導体基板に対しては、一般にはリング状の覆いの穴径は、半導体基板の直径の５０％より大きく９０％未満、より好ましくは、５５％以上８０％以下とする。穴の直径が大きすぎると半導体基板の周辺のエッジ部分からの放熱を十分に抑えることができず、スリップラインが発生する。また、穴の直径が小さすぎると半導体基板の中央部が周辺部に対して加熱されるようになり覆いの形状をリング状とした意義が失われ、スリップラインが発生する。

【００１４】

【作用】

この考案の短時間アニール装置においては、半導体基板を保持体上に載置し、さらに、半導体基板の直径の５０％より大きく９０％未満の直径の穴を中央部に有しかつ外周部に通気性を持たせたリング状の覆いをサセプタ上に載せる。そして、半導体基板を所定の雰囲気ガスにおき、サセプタを加熱手段により加熱し、主としてサセプタからの熱伝達によってサセプタ上の半導体基板を短時間加熱し、アニールを行う。この場合、半導体基板は加熱により周辺部が上側に反り、中央部のみがサセプタからの熱伝達により加熱されやすくなるが、この考案の装置においては、半導体基板上のリング状の覆いの中央部の穴が半導体基板の中央部を放熱させると共にリング状の覆いの本体部分が輻射により半導体基板の周辺部を選択的に加熱する。このため、半導体基板の全面を覆う従来の蓋に比べて半導体基板の中央部と周辺部との温度差を低減させることが可能となる。さらに、このリング状の覆いは外周部に通気性を持たせたものであるので、半導体基板の周辺のエッジ部分にもまんべんなく雰囲気ガスを供給する。このため、高温で比較的長時間におよぶ熱処理をする場合でも周辺部の特性の劣化を防止することが可能となる。

【００１５】したがって、この考案の装置により短時間アニールした半導体基板は、その全面に亘って均一な特性を有するようになり、スリップラインの発生も解消される。

【００１６】

【実施例】

以下、この考案の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

【００１７】図４は、この考案の短時間アニール装置の一実施例の概略説明図であり、図１はそのサセプタ付近の拡大断面図であり、図２はそのサセプタの上面図であり、図３はリング状の覆いの上面図である。なお、図中、同一符号は同一または同等の構成要素を表している。

【００１８】図４に示したように、この実施例の装置においては、ＧａＡｓ等のウェハ１を載置するカーボン製のサセプタ２が透明な石英管からなる炉３の中に水平に設けられている。この炉３はＡｒやＨ_２等の雰囲気ガスを供給するガス供給口４ａ、ＡｓＨ_３等の雰囲気ガスを供給するガス供給口４ｂ、および排気口４ｃからなる雰囲気ガス調整手段４を有しており、炉３の下方にはサセプタ２を介してウェハ１を加熱するハロゲンランプ５が設けられている。また、サセプタ２にはウェハ１の温度を測定する熱伝対（図示せず）が取り付けられており、その上方には放射温度計６も取り付けられている。

【００１９】なお、この装置においては、ウェハ１を加熱するためのハロゲンランプ５は、図示したようにサセプタ２を下面から間接照射するもののみを設けてあり、ウェハ１を直接照射することとなる側面照射や上面照射は行わないようにしている。この装置ではサセプタ２をハロゲン光に対する吸収効率や熱伝導率が高いカーボン製としているので、このように間接照射する方が、吸収効率や熱伝導率が低いＧａＡｓ等のウェハ１を直接照射するよりもウェハ１を均一に加熱することが可能となる。またこれにより、ウェハ１の上方から放射温度計によりウェハ１の温度を直接測定することも可能となる。

【００２０】図１に示したように、この装置においては、サセプタ２上のウェハ１にはリング状の覆い７が被せさられる。リング状の覆い７も、サセプタ２と同様にカーボン製とすることできる。図１および図３からわかるように、このリング状の覆い７は中央部に円形の穴７ａが開いている。穴７ａの直径はウェハ１の直径の５０％より大きく９０％未満とすることができるが、この例においては約８０％となっている。また、リング状の覆い７は、その外周部に４本の足７ｂを有し、サセプタ２に載置したウェハ１の周辺部に良好な通気性が確保されるようにしている。

【００２１】サセプタ２は、図１および図２からわかるように、ウェハ１の載置部が凹部となっており、ガードリング８が形成された形状となっている。このガードリング８はウェハ１の周辺部のエッジ部に輻射熱を供給するので、本来ウェハ１の周辺部はエッジ放熱効果によりウェハ１の中央部に対して温度が低くなり易いにもかかわらず、ウェハ１の周辺部と中央部との温度差が低減する。評価以上のような装置において次のような条件により短時間アニールをし、ウェハ１の中央部と周辺部について、アニール時間とシートキャリア濃度との関係を求めた。また、Ｘ線トポグラフにより、スリップライン等の欠陥の発生を観察した。ａ．ウェハＳｉを３×１０^１２／ｃｍ^２イオン注入（エネルギー１００ＫｅＶ）したＧａＡｓ基板で、直径７６ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのものを使用した。ｂ．サセプタカーボングラファイト製で、外径１００ｍｍ、ウェハ載置部の凹部の直径７７．５ｍｍ、ウェハ載置部の厚さ２ｍｍのものを使用した。ｃ．リング状の覆いカーボングラファイト製で、外径８２ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、中央部の穴の直径６１ｍｍで、周辺部に４本の足を有するものを使用した。ｄ．雰囲気Ａｒ／Ｈ^２（２０％）／ＡｓＨ^３で、ＡｓＨ^３の分圧は５Ｔｏｒｒとした。ｅ．温度ハロゲンランプ５のパワーをｏｎとすることにより、まず２５０℃で１２０秒保持することにより予備加熱を行い、その後、昇温速度５０℃／秒でアニール温度とする９００℃まで昇温させ、一定時間（以下、この時間をアニール時間という）保持し、次いでついでハロゲンランプ５のパワーをｏｆｆとすることにより自然冷却した。ｆ．シートキャリア濃度の測定方法短時間アニールしたウェハの中央部および周辺部から１０ｍｍ×１０ｍｍを切り出して、ＶａｎｄｅｒＰａｕｗ法により測定した。

【００２２】中央部と周辺部について、アニール時間とシートキャリア濃度との関係について得られた結果を図５に示した。また、Ｘ線トポグラフによっては、スリプラインの発生は認められなかった。

【００２３】比較例として、リング状の覆いに足をつけなかったものを使用する以外は実施例と同様にして、中央部と周辺部について、アニール時間とシートキャリア濃度との関係を求めた。結果を図５に併せて示した。

【００２４】図５に示した結果から、リング状の覆いに足が付いているこの発明の実施例においては、リング状の覆いに足がない比較例に比べて周辺部の特性の劣化がなく、ウェハの全面に亘って均一な特性が得られることが確認できた。

【００２５】以上、実施例についてこの考案の装置を具体的に説明したが、この考案の装置は上記実施例に限定されることなく種々の態様をとることができる。例えば、半導体基板を加熱する熱源は、ハロゲンランプの他にもレーザー、アークランプ、グラファイトヒーター等を使用することができる。サセプタとしても、カーボン製の他にも熱伝達特性の良好なものを使用することができ、たとえばシリコンカーバイト（ＳｉＣ）製のもの等を使用することができる。また、この装置には必要に応じて熱遮蔽板等の構成要素を付加することもできる。

【００２６】

【考案の効果】

この考案の装置によれば、ウェハに短時間アニールするにあたって、ウェハの中央部と外周部との特性の不均一性を解消し、ウェハの全面に亘ってスリップラインのない良好な特性を得ることが可能となる。このため、短時間アニールを集積回路あるいは各種単体デバイスの量産に適用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの考案の実施例におけるサセプタ付近
の拡大断面図である。

【図２】図２はこの考案の実施例におけるサセプタの上
面図である。

【図３】図３はこの考案の実施例におけるリング状の覆
いの上面図である。

【図４】図４は、この考案の実施例の概略説明図であ
る。

【図５】図５は、実施例と比較例について、アニール時
間とシートキャリア濃度との関係を表したグラフであ
る。

【符号の説明】

１ウェハ２サセプタ３炉４雰囲気ガス調整手段５ハロゲンランプ７リング状の覆い７ａリング状の覆いの穴７ｂリング状の覆いの足８ガードリング

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】略円板状の半導体基板を保持体上に載せ
て保持体を加熱手段で短時間加熱し、主として前期保持
体からの熱伝達によって前期半導体基板の短時間アニー
ルを行う装置において、中央部に穴を有し、かつ外周部
に通気性を持たせたリング状の覆いを保持体上に載せる
短時間アニール装置。
【請求項２】リング状の覆いの中央部の穴が、半導体
基板の直径の５０％より大きく９０％未満の穴径を有す
る請求項１記載の短時間アニール装置。