JPH04121733U

JPH04121733U - 短時間アニール装置

Info

Publication number: JPH04121733U
Application number: JP3611291U
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を短
時間加熱して短時間アニールを行う装置において、半導
体基板の熱処理によって生じる反りに応じた曲率の曲面
をサセプタの載置面に形成する。

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、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）よりも熱膨脹量が大きくなり、ウェハは反り上がり、ウェハの周辺部はサセプタから離れてしまう。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基板からの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、ウェハのサセプタ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。

【０００９】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。また、蓋をリング状とするに際して蓋の中央部に開ける穴の最適径の見積もりが、複雑な熱解析をしなければ算出できないので、蓋の設計が容易でないという問題点もあった。

【００１０】そこで、この考案は、簡便な構成で、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。

【００１１】

【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サセプタ上に載置してサセプタを加熱手段で短時間加熱し、主として前期サセプタ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、前期半導体基板の熱処理によって生じる反りに応じた曲率の曲面を前記サセプタの載置面に形成した短時間アニール装置を提供する。

【００１２】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、および雰囲気ガス調整手段等を有することができるが、この考案の装置においては半導体基板を覆う蓋は設けず、サセプタの半導体基板の載置面に特定の曲率の曲面（以下、０面ザグリという）を形成することを特徴としている。

【００１３】この球面ザグリは、熱処理時に半導体基板の周辺部が反り上がった場合に、その反り量に応じた曲面に形成するが、このような球面ザグリの曲率は次のような簡単な伝熱計算により求めることができる。

【００１４】一例としてＧａＡｓウェハをＡｒ／Ｈ_２／ＡｓＨ_３の雰囲気で熱処理する場合について説明する。

【００１５】図４に示したように、一般に、短時間アニール装置内のサセプタ２上のウェハ１表面からの熱損失は、自然対流熱伝達による熱損失ｑ_１と輻射熱伝達による熱損失ｑ_２と考えることができる。

【００１６】自然対流熱伝達による単位面積あたりの熱損失ｑ_１は、定常状態で、ｑ_１（Ｋｃａｌ／ｍ^２・ｓ）＝ｈ（θ_Ｓ−θ_Ｇ） (i) である。ここで、θ_Ｓはウェハの表面温度、θ_Ｇは雰囲気ガス温度、ｈは自然対流熱伝達係数であり、ｈ＝0.54・（Ｃ_１Ｐ_１＋Ｃ_２Ｐ_２）／Ｃ_０・ｋ_１／ｌ・（Ｇｒ・Ｐｒ）^１／４ (ii) で与えられる。ここで、Ｃ_０、Ｃ_１、Ｃ_２、はそれぞれ空気、Ａｒ、Ｈ_２の比熱、Ｐ_１、Ｐ_２はＡｒ、Ｈ_２の分圧、ｋ_１はガス熱伝導率、ｌはウェハの径、Ｇｒはグラスホフ数、Ｐｒはプラントル数である。

【００１７】一方、輻射熱伝達による単位面積あたりの熱損失ｑ_２は、ｑ_２＝εσ（θ_Ｓ／100 ）^４ (iii) である。ここで、εはＧａＡｓの熱放出率、σはステファンボルツマン定数である。そしてウェハの表裏の温度差△Ｔは、(i)-(iii) よりｑ_１＋ｑ_２＝ｋ_２／δ・△Ｔ (iv) で与えられる。ｋ_２はＧａＡｓの熱伝達率、δはウェハの厚さである。

【００１８】ここで、（θ_Ｓ＋θ_Ｇ）／２を境膜の温度と近似し、この温度における各物性値を代入すれば、ウェハの表裏の温度差△Ｔを得ることができる。例えばウェハの表面温度θ_Ｓが９００℃のとき、△Ｔはおよそ２℃と計算される。

【００１９】また、このウェハの表裏の温度差△Ｔによって生じるウェハの反りの曲率半径 ρは、 α△Ｔ＝δ ^２ ^２ρ (v) である。ここでαはＧａＡｓの線膨脹係数である。したがって、ウェハの表裏の温度差△Ｔが２℃のとき、ウェハの反りの曲率半径ρは約５０ｍとなる。

【００２０】

【作用】

この考案の短時間アニール装置においては、半導体基板を特定の球面ザグリを有するサセプタ上に載置し、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。この加熱処理時に半導体基板は周辺部が上側に反り上がるが、その結果、半導体基板はサセプタの球面ザグリと密着し、中央部から周辺部に至る全面が均一に加熱される。

【００２１】また、この考案の装置においてはこのような熱処理時に半導体基板を覆う蓋を使用せず、半導体基板の上面を完全な解放状態にするので、雰囲気ガスも半導体基板の全面に亘って均一に供給される。また、半導体基板の上面が解放されていることから、放射温度計を使用して加熱状態を制御することが容易となる。

【００２２】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スリップラインの発生を初めとする周辺部の特性の劣化を防止することができ、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る。

【００２３】

【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。

【００２４】図３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はそのサセプタ断面図であり、図２はそのサセプタの上面図である。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。

【００２５】図３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。

【００２６】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６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。

【００２７】図１および図２からわかるように、この装置のサセプタ２には球面ザグリ７が形成されている。また、サセプタ２には、球面ザグリ７の外周にガードリング８が形成されている。このガードリング８はウェハ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、ウェハ載置部の直径７７．５ｍｍ、その球面ザグリの曲率５０ｃｍ、ガードリングの高さ０．７ｍｍとした。ｃ．雰囲気Ａｒ／Ｈ^２（２０％）／ＡｓＨ^３で、ＡｓＨ^３の分圧は５Ｔｏｒｒとした。ｄ．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、１２０秒間保持し、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。ｅ．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。

【００２８】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、スリップラインの発生は認められなかった。

【００２９】比較例として、サセプタとして、球面ザグリを形成していない従来の平板形状の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。また、実施例と同様にしてＸ線トポグラフにより欠陥の発生も観察した。

【００３０】図５に示した結果から、この発明の実施例によれば中央部と周辺部についてシートキャリア濃度の差はほとんど認められず、ウェハの全面にわたって均一な特性の得られることが確認できた。一方、比較例によれば中央部に対して周辺部のシートキャリア濃度が低く、ウェハの特性が不均一であることが確認できた。

【００３１】以上、実施例に基づ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。

【００３２】

【考案の効果】

この考案の装置によれば、ウェハの反りに応じた球面ザグリを形成したサセプタを使用するのでウェハを覆う蓋は不要となり、簡便な装置構成で、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。

【００３３】また、このサセプタの球面ザグリの曲率は簡単な伝熱計算により算出することができるので、最適条件の形状のサセプタを容易に設計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のサセプタの断面図で
ある。

【図２】図２はこの考案の実施例のサセプタの上面図で
ある。

【図３】図３はこの考案の実施例の概略説明図である。

【図４】図４は、一般的なウェハ表面の熱損失の説明図
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球面ザグリ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置
し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、前期半導体基板の熱処理によ
って生じる反りに応じた曲率の曲面を前記保持体の載置
面に形成した短時間アニール装置。