JPS6072227A - 半導体ウエフア中へド−パントを高温ドライブイン拡散する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は、半導体ウェファの処理方法に関する。

さらに詳細には、半導体ウェファ内へのドー・やント不
純物の高温ドライブイン拡散を正確に制御して行なうた
めの方法に関する。

拡散技術は、半導体ウェファ内に不純物ドーゾ領域を形
成するだめの周知技術である。従来技術においては、ウ
ェファのバッチが拡散炉内に位置されて、ガス状の不純
物種に晒されていた。そしてその不純物は、ウェファ表
面上又はその付近に堆積する。次にウェファは１通常は
他の拡散炉内で、ドライブイン拡散が行なわれる。炉内
には９００℃〜１０５０℃の温度の不活性ガスが流れ、
それによシネ鈍物原子は酸化層で保護されていないウェ
ファの選択的領域にのみ拡散される。拡散深度は。

不純物密度、炉内の温度・時間に依存する。上記温度範
囲の場合には、拡散時間は代表的には３０分程度である
。

拡散炉に伴う長年の問題は、ウェファ表面上における不
純物の一様性が悪いこと、及び不純物ドーズ量の制御が
まずいことであった。集積回路デバイスがよシ小型化・
密集化するにつれて、これらの問題によって拡散炉の有
用性に限界が生じてきた。

半導体ウェファ中にイオンを注入する技術は２上記問題
を軽減する１つのドーピング技術である。

そしてドーピングの一様性及びドーズ量をともに正確に
測定して制御することができる。しかしながら、イオン
注入はエネルギーの点からして、不純物ドー・ぞントが
堆積できる深度に限界がある。

この問題に取組むために、予備堆積イオン注入をしてそ
れに続いてドライブイン拡散を行なう技術が開発された
。先ず適当なエネルギーでイオンをウェファ表面付近の
領域へと注入し、その後ウェファを拡散炉内で処理して
、不純物をよシ深いところへドライブし、かつ注入によ
る照射損傷をアニールするという技術である。仁の技術
によれば。

ドーズ量及び一様性のすぐれた制御が可能となる。

イオン注入にしろ蒸着にしろこれらの処理の後に行なわ
れるドライブイン拡散の１つの欠点は。

多くの処理時間を要することである。代表的には拡散処
理に３０分以上の時間を要し、さらにつ工ファを炉の内
外へ移送するための追加的時間を要する。商業的半導体
処理工程において、処理時間のどんな減少でもきわめて
利益あることである。

半導体材料中への不純物の拡散速度は温度とともに増大
すること、さらに詳細には拡散定数は温度の指数関数で
あることが知られている。しかしながら、処理時間を減
少させるために動作温度を上げることは、拡散炉の性質
からして不可能であった。拡散炉は、大きな熱容量を有
し、動作温度に維持されている。熱応力によるウェファ
の割れ及び損傷を避けるために、ウェファの炉内外への
移動はゆるやかになされる。そのため、ウェファが高温
に晒される時間に変動が生ずる。高温における処理時間
の差は、不純物の拡散の差又は誤差をもたらす。処理時
間は減少されても時間誤差の原因はそのｉｔなので、拡
散炉の動作温度の増大によって、不純物拡散の誤差が許
容できないレベルにまで達する。

〔発明の目的〕

本発明の一目的は、高温ドライブイン拡散方法・を提供
することである。

他の目的は、ドライブイン拡散の速度が増大する処理方
法を提供することである。

他の目的は、高温ドライブイン拡散を正確に制御して行
なうための処理方法を提供することである。

他の目的は、半導体ウェファが平坦輻射源に晒されると
ころのｒライブイン拡散方法を提供することである。

〔発明の概要〕

本発明に従って、上記及びそれ以外の目的及び利点が達
成される。それは、半導体ウェファの表面上又はその付
近に堆積されたドーパントを高温ドライブイン拡散する
ことによって、達成される。

本発明の方法は、比較的一様な平坦エネルギー束特性を
有する輻射源を設ける工程：並びに前記輻射源からウェ
ファ及びドーノソントへと強力輻射ビームを方向づける
工程；から成る。ウェファへと方向づけられた該ビーム
は９選択した時間内にウェファ及びドー・ぐントの温度
を１０００℃〜１３５０℃の間へと上昇させて、所定弁
、のドー・ぐント拡散をもたらすのに十分な電力レベル
にされている。

本発明の方法が利用する輻射源は、半導体ウェファを１
００００Ｃ〜１３５０℃の範囲の温度、特に好適には制
御された時間の間１１００６Ｃ〜１３５０℃の範囲の温
度にほぼ一様に加熱することができる。

この範囲の温度を利用することによって、拡散のパラメ
ターに依存して数秒〜数分程度の時間の間。

ドライブイン拡散を実施することができる。好適な温度
範囲は適度に急速な処理をもたらし、かつシリコンウェ
ファを融点以下に保つ。従来の拡散炉では１等価なドラ
イブイン拡散を達成するためには３０分以上の時間を必
要とする。本発明の方法は、処理時間の大幅な軽減をも
たらす。輻射源は代表的には平坦黒体源であシ、ウェフ
ァは輻射源に平行に位置される。本発明の重要な特徴は
。

予測可能な制御された拡散をもたらすだめに処理の時間
・温度制御することである。

〔好適実施例の説明〕

本発明の方法を実施するために適しだ熱処理装置を第１
図及び第２図に示す。処理装置は、半導体ウェファを受
取り、熱処理し、かつ除去するように構成されている。

処理装置１０を第１図に簡略した形式で示す。この装置
は、パリアン・アソシエイツ・インコー、Ｉ？レイテッ
ド社のＥｘｔｒｉｏｎＤｉｖｉｓｉｏｎ　から製造販売
しているＩＡ−２００ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌ　Ｐｒ
ｏｃｅｓｓｏｒ　を表わしたものである。本装置は、米
国特許第３，９０１，１８３号に開示された重力による
ウェファ・ハンドラー「ＷａｙＦｌｏｗ　Ｊを利用する
。ウェファφハンドラー［ＷａｙＦｌｏｗ　Ｊによれば
、ウェファはカセットホルダー１８内に位置されたカセ
ットから入口ロック１６を通って真空チェンバ２４．２
０へと挿入される（米国特許第３．９５４，１．９１号
参照）。ｆラテン２１が軸線３４のまわシに回転してロ
ック１６に整合する。ウェファが重力によってプラテン
２１へと滑って送シ込まれる。その後にプラテン２１が
軸線３４のまわ９に回転して、黒体源３５に対面する処
理位置に移る。

好適な黒体源３５は、グラファイトなどの抵抗性材料で
あシ、ストリッグの蛇行・やターンを有する平坦形状に
切断され、制御可能な電力源（図示せず）によって付勢
される。黒体源３５は２幅広い帯域の輻射を生じ、赤外
領域にピークを有し。

可視スペクトル領域内に実質的成分を有する。変形的に
は、一様な平坦エネルギー束特性を有するラング源も利
用できる。プラテン２１がウェファを定位置に設定する
まで、黒体源３５をシャッタープレート２３によって遮
断することができる。

変形的には、ウェファが適所に位置するまで、黒体源３
５を低電力レベルでアイドル運転することもできる。ウ
ェファ３７と黒体源３５（第２図）との距離は、約％イ
ンチから実施可能距離まで変化させることができる。実
際の距離は、一様性の要求及びシャッター２３の分のス
ペースによって決定される。一様性のためには、黒体源
３５とウェファ３７とはほぼ平行に整列して位置される
。

さらに黒体源３５の実効面積は少なくともウェファ３７
と同程度の大きさであることが好ましい。

黒体源からウェファへの視界ファクター（Ｖｉｅｗｉｎ
ｇｆａｃｔｏｒ　）は、できるだけ高く一様であること
が必要である。黒体源３５の温度は２本発明に従ってド
ライブイン拡散を達成するために１代表的には１１００
８Ｃ〜１４５０℃の間である。処理時間は２代表的には
８〜６０秒の間で変化する。ウェファの加熱は輻射加熱
であシ、ウェファ３７は黒体源３５の温度付近に平衡す
るまで温度上昇する。

一様加熱を促進するだめには、対流よりも輻射による加
熱の方が好ましい。従来の炉の処理の場合には、加熱は
主としてガス環境の対流によるものであった。そういう
加熱は、熱によシ誘起されたガス流によって一様となら
ない。本発明の方法においては、少なくとも黒体源とウ
ェファとの間の圧力に関して制御が維持される。この領
域の圧力は、１Ｏ−７Ｔｏｒｒ〜大気圧の範囲に制御さ
れる。好適には、処理中の圧力は１０”　Ｔｏｒｒ　〜
５Ｘ１０−ＳＴｏｒｒの範囲内にある。処理中に上記圧
力範囲の不活性ガスを利用することは可能である。第１
図に示すように、拡散ポンプ３２に直列して機械的荒引
きポンダ３３を使用して、管３０及びノ々ツフル３１を
通してチェンバ２４を排気してそこの圧力を制御する。

ドライツイン拡散が終了した後に、黒体源３５はシャッ
タープレート２３によシ遮断され、或いはアイドル運転
又は停止される。グラテン２１は下方へ回転して出口ロ
ック１７に整合し、ウェファが出口ロック１７を通って
取出され、カセットホルダー１９内のカセットに収納さ
れる。ウェファがシリコンの場合には、チェンバ２４か
ら取出す前に７００℃以下に冷却することが望ましい。

この冷却は、グラテン２１を実際に冷却すること。

又はグラテン２１を回転してウェファ３７が黒体シンク
としてのチェンバ２４の壁を輻射することによって達成
できる。

第２図に示すように、グラテン２１は金属ブロック３９
を有し、ブロック３９の背面には巻かれた冷却チー−ブ
４０が固着されている。冷却チューｆ４０はチルドウォ
ーター、又は他の冷却剤を含有し、フィードスロー（ｆ
ｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈ　）　（図示せず）によってチェ
ンバ外部の冷却源に連通している。シラテン２１の前面
側には、一様加熱を促進するために、耐熱金属でできた
周回ストリッツ４２が設けられている。ウェファの中心
部と端部との間の温度分布を一様にするために、このス
トリッｆ４２を加熱することができる。平坦シール１’
４４．４５が、熱源３５と真空チェンバ２４の壁面との
間に位置される。これらのシールドは。

公式　１／（ｎ＋１）　に従って熱損失を減少させる。

ここに、ｎは連続的シールドの枚数であシ、各シールド
間は真空分離されている。

一般的に、基板内で成る方向に拡散するドー・ぐントの
距離ΔＸは、近似的に次式で与えられる。

７□へ［２Ｄｔ）Ａ ここに、１＝処理時間 Ｄ　＝　Ｄ、　ｅｘｐ　〔−ＥＡ／　ｋＴ　）Ｄ０＝無
限温度での拡散係数 ＥＡ＝活性化エネルギー に＝デルラマン定数 Ｔ＝処理温度、である。

□拡散距離ΔＸは、ドー・ぐント濃度によっても変化す
る。拡散係数りの温度依存は、指数関数であるので、温
度のわずかな変化によって、同じ拡散距離を得るために
は処理時間の大幅な減少が要求される。例えば、１００
０℃から１２００℃への処理温度Ｔの増加によって、拡
散係数りは１００から２００へと増大し、処理時間ｔも
これに対応して減少を要求される。かくして、炉内で３
０分間を要する拡散も２本発明によれば１分間以内に達
成することが可能となる。

上述のような上昇温度・減少時間の下でドライブイン拡
散を実行するために、いくつかの必要条件がある。第１
に、処理装置はウェファの温度を急速に上昇させなけれ
ばならない。第２に、拡散処理終了後にウェファを急速
に冷却しなければならない。第３に、一様拡散を保証し
、かつウェファ上の熱応力を避けるために、ウェファの
表面を一様に加熱しなければならない。第４に、従来技
術の場合よシも拡散が高速で生じるので、処理時間及び
処理温度を正確に制御しなければならない。

第５に、処理時間が非常に短いので、過渡温度効果を考
慮しなければならない。

第１図及び第２図に示す上記の熱処理装置は。

シャッターグレート２３がもち上げられてから数秒後に
ウェファの温度を輻射源３５とほぼ同温になるまで加熱
する。同様に、シャッターグレート２３が降下されプラ
テン２１及びウェファが回転して輻射源３５から離れた
後の数秒後にウェファを７００℃範囲へと冷却する。７
００℃においては、拡散速度は無視できる程十分に小さ
い。輻射源３５が平坦形状であシ犬面積であること、及
びウェファが輻射源３５に近接して位置していることに
よって、ウェファが一様に加熱される。加熱は主として
一様黒体による輻射加熱に依存していることによって、
よシ一様のウェファ加熱が保証される。輻射源３５へ印
加される電力レベルの手段、及びその電力制御のために
利用する源温度測定によって、ウェファ温度が制御され
る。処理時間は、シャッタープレー１・２３の位置で制
御できる。

シャッターグレート２３が源３５とウェファとの間の位
置から持ち上げられると、ウェファ温度は、第３図に示
すように源温度まで急速に上昇する。シャッターが降下
された後に、ウェファは急速に冷却される。ウェファ過
渡温度の時間が全処理時間のうち有意義な程度である場
合には、その効果を考慮に入れるべきである。第３図を
参照すれば、シャッターは１５秒間だけ開いている。こ
の間にウェファ温度が上昇する。処理装置の形状から、
特定のウェファ及びドーパントの型の場合の効果時間ｔ
ｅｆｆを計算することができ、或いは実験的に決定する
こともできる。ｔｅｆｆの値は、＃Ｌ高速の加熱及び冷
却サイクルの場合にウェファがピーク温度Ｔｗに達する
最小に対応する。他の時間一温度サイクルの場合には、
もっと長い時間となる。

輻射源の熱電対温度ＴＴを種々の温度に設定したときの
ｔ、ｆｆの計算値を、ピークウェファ温度Ｔｗの関数と
して、第４図にプロットした。実際には輻射源温度の真
の値は、熱電対の読みＴＴよシも大体１００℃だけ高い
。第４図には、輻射源に無限時間晒したとした場合のウ
ェファの到達最終温度Ｔｏｏをも示しである。効果時間
ｔｅｆｆは、非理想処理装置と同一の拡散効果をもたら
すような理想化したステップ関数加熱サイクルを表わし
ている。ピークウェファ温度Ｔｗは、赤外検出器で測定
する。

動作にあたシ、特定の輻射混熱電対温度ＴＴを設定して
、ピークウェファ温度Ｔ、を観測する。次にｔａｆｆの
値を第４図のグラフから読取って得ることができる。そ
して拡散を次のように計算する。

Ｄｔ　＝　ＤＯｅｘｐ　ＣＥＡ／ｋ　Ｔｗ　）　Ｘ　ｔ
＠ＨΔｘ＝〔２Ｄｔ）３／′ 濃度に依存する効果によって、ΔＸの値は、上記の純粋
な計算値より大きくなる。特に急速処理の場合にそうで
ある。

＜ｔｘｔ＞　シリコンウェファのバッチが、ｉｏ。

ｋｅｖ、Ｉ　Ｘ　１０”　／７において？５Ａ、で注入
された。

パッチからのウェファが第１図及び第２図に示した装置
において本発明に従って処理された。その時のＴＴは約
１３５０°Ｃ，Ｔｗは約１３００°Ｃ２かつ処理時間は
約１０秒間であった。これらのパラメターの場合には、
不純物再分布はΔｘｚ０．１３マイクロメートルであっ
た。比較のため、・マツチからのウェファが炉内で９０
０℃、６０分間処理された。

不純物再分布はΔＸ々０．０３マイクロメートルであり
た。

これまで特定の実施例によってのみ本発明を説明してき
たけれども２本開示に鑑みて本発明に基づく無数の変化
がなされ得ることは、当業者にとって明白であろう。そ
ういう変化は１本発明の範囲内に包含される。故に本発
明は広く解釈されるべきであシ、その権利範囲及び真意
は特許請求の範囲によって限定する。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の方法を実施するために利用する成る
型の熱処理装置の側面図である。 第２図は、第１図の処理装置内の半導体ウェファ保持用
！ラテンの一部切欠断面図である。 第３図は、第１図の処理装置における２時間の関数とし
てのウェファ温度を表わしたグラフである。 第４図は、第１図の処理装置のための、ピークウェファ
温度の関数としてのｔｅｆｆを表わしたグラフである。 〔主要符号の説明〕 １０−・・処理装置　１６・・・入口ロック１７・・・
出口ロック　１８．１９・・・カセットホルダー２１・
・・グラテン　２３・・・シャッタープレート２４・・
・チェンバ　３０・・・管 ３１・・・バッフル　３２・・拡散ホンダ３３・・・荒
引きポンプ　３４・・・軸線３５・・・黒体源　３７・
・・ウェファ３９・・・金属ブロック　４２・・・周回
ストリッゾ４４．４５・・・平坦シールド 特許出願人　パリアン・アンシエイツ・インコーホレイ
テッド 代理人　弁理士竹内澄夫 ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２　。 、ｕｏｏ−１ ＴＷ（’Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １５　半導体ウェファの表面及びその付近に堆積された
   ドーパントを高温ドライブイン拡散するための方法であ
   って： 比較的一様な平坦エネルギー束特性を有する輻射源をも
   たらす段階；並びに 所定程度のドー・セント拡散を生ずるように選択した時
   間の間に前記ウェファ及び前記ドーパントの温度を１０
   ００℃〜１３５０℃の間に上昇させるのに十分な電力レ
   ベルをもって、前記輻射源からの輻射の強力ビームを前
   記ウェファ及び前記ドー・ぐントに方向づける段階； から成る方法。 ２、特許請求の範囲第１項に記載した方法であって： 前記輻射源が平坦黒体源であるところの方法。 ３、特許請求の範囲第２項に記載した方法であって： 前記輻射源が平坦グラファイト加熱器であるところの方
   法。 ４、特許請求の範囲第２項に記載した方法であって： 前記平坦黒体源から離れて整列し、それに平行に前記ウ
   ェファを位置づける段階； から成る方法。 ５、特許請求の範囲第４項に記載した方法であって： 前記ウェファの主として輻射による加熱をもたらすため
   に、前記輻射源と前記ウェファとの間の領域の圧力を制
   御する段階： から成る方法。 ６、特許請求の範囲第５項に記載した方法であって： 処理中に前記輻射源を所定温度で動作させることによシ
   、かつ処理中の前記ウェファのピーク温度をモニターす
   ることによって、前記ドー・マント拡散を制御する段階
   ； から成シ。 以て前記ウェファの過渡温度応答及び対応するドーパン
   ト拡散が決定され得る。 ところの方法。 ７、　特許請求の範囲第６項に記載した方法であって： 前記強力ビームが８〜６０秒間の範囲で前記ウェファに
   方向づけられるところの方法。 ８、特許請求の範囲第１項に記載した方法であって： 前記輻射源がランノ源であるところの方法。 ９、特許請求の範囲第１項に記載した方法であって： 前記ウェファ及び前記ドー・やントの温度が１１００°
   Ｃ〜１３００℃の範囲に制御されるところの方法。