JPS6220308A - 熱処理方法および装置 - 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】 ［技術分野］ 本発明は、熱処理技術、特に、半導体装置の製造におけ
るウェハのアニール処理に適用して有効な技術に関する
。

［背景技術］ たとえば、超ＬＳＩなどの製造においては、シリコンな
どの円盤状の基板、すなわちウェハに所定の半導体素子
を構成する過程で、たとえばｐｎ接合形成などのための
不純物の導入手段としてイオン注入操作が行われる場合
がある。

この場合、イオン注入によって導入された不純物の活性
化や、イオン注入によって発生した不純物導入部の結晶
欠陥の回復、消滅などを図るため、通常非酸化性の雰囲
気で所定の温度に比較的短時間ウェハを加熱するアニー
ルが行われる。

一方、半導体装置の製造における生産性の向上のため、
ウェハの口径は増大される傾向にあり、比較的大口径の
ウェハを均一にアニールする必要性が高まっている。

コノタメ、比較的大口径のウェハのアニールの方法とし
ては、次のようなものが考えられる。

すなわち、加熱されるウェハの、たとえば中央部に温度
センサを設け、ウェハを加熱する加熱機構は、たとえば
ウェハの中央部と周辺部に対応するように、熱出力を独
立に制御可能な複数の制御単位に分割して設ける。

そして、所定の加熱温度における定常加熱時にウェハの
中央部と熱が比較的散逸されやすい周辺部とが均一の温
度となるように、ウェハの中央部および周辺部にそれぞ
れ対応する加熱機構の制御単位における熱出力の分配比
を設定し、定常加熱状態におけるウェハ各部の温度分布
が均一になるようにするものである。

しかしながら、ウェハからの熱が外部に散逸される機構
は、昇温、定常加熱、降温の各過程で相違するものであ
り、上記のように定常加熱過程におけるウェハ各部の温
度差が最小となるように配分比を固定して設定したので
は、定常加熱温度までの昇温および定常加熱温度から常
温までの降温過程でのウェハ各部における温度分布が不
均一となり、たとえばウェハの中心部と周辺部との間の
温度差などに起因してウェハに熱応力転位などの結晶欠
陥が誘発されたり、素子の活性層における導入不純物の
活性化の不均一さに起因する抵抗値のばらつきを生じる
などして素子の特性が劣化されるなどの不具合があるこ
とを本発明者は見いだした。

なお、ウェハのアニール技術について説明されている文
献としては、セミコンダクタ・ワールド（Ｓｅｍｉｃｏ
ｎｄｕｃｔｏｒ　　Ｗｏｒｌｄ）。

６２、Ｎ１１ｌ　　（１９８５）がある。

［発明の目的］ 本発明の目的は、熱処理過程における被処理物の温度分
布を均一に維持することが可能な熱処理技術を提供する
ことにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

［発明の概要］ 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、つぎの通りである。

すなわち、熱出力を独立に制御可能な複数の制御単位か
らなる加熱手段によって被処理物を加熱する熱処理方法
で、前記被処理物の複数点の温度を検知し、前記複数点
の中の代表点の温度が目標値に一致されるように、かつ
前記代表点以外の温度は、前記代表点との温度差が最小
になるように、前記加熱手段の複数の制御単位の熱出力
の分配比を逐次制御することにより、定常加熱および定
常加熱温度までの昇温、定常加熱からの降温の各過程に
おける被処理物の温度分布の不均一さが低減されるよう
にして熱処理過程における被処理物の温度分布を均一に
維持することを可能にしたものである。

［実施例１］ 第１図は、本発明の一実施例である熱処理装置の要部断
面を示す説明図である。

チャンバ１の内部には、サセプタ２が水平に設けられ、
さらにサセプタ２の上にはウェハ３（被処理物）が着脱
自在に載置されるように構成さＪｑている。

、二の場合、ウェハ３に対するサセプタ２　によびチャ
：／ハ１の熱的な影響を防止するため、ウェハ３は→Ｊ
セブタ２に設けられた複数の突起部４によって点接触で
支持され、さらにサセプタ２はチャンバ１に対し２て軸
５を介して支持される構造とされている。

また、チャンバ１および勺セプタ２は、たとえば透明な
石英で構成され、チャンバｌの内部においてサセプタ２
に載置されるウェハ３の１−下面にチャンバ１のり（部
から赤列線などの熱線が照射できる構造とされている。

。 チャンバ１の側面にはシャッタ機構６が設けられ、シャ
ッタ機構６を通してチャンバ１の内部・＼のウェハ３の
挿入および取り出ｊ〜操作が行われるように構成されて
いる。

さらに、チャンバ１の夕（部十面には、チャンバ１の内
部に収容されたウェハ３の、たとλば半径方向に対応す
るよ・うに温度セン４Ｊ７が設けられ、つ］−ハ３の中
央部に対応する位置Ｃ５およびウェハ３の周辺部に対応
する位ＷＥ、さらには前記位ＪＣと（Ｉ７百Ｅの間にあ
る位置Ｍの各点における温度が個別に検知されるよ・）
に構成され、センサ出力検知器Ｓ１およびセン（）”出
力検知器Ｓ２およびセン勺出力検知器Ｓ３を介して制御
部ｌ）に伝達される構造とされている。

この場合、温度センサ７はウェハ３と同一・の物質であ
るシリコン（３→ｉ）などから構成され、ウェハ３とと
もに同一の熱的な環境の中に位置される際に、ウェハ３
に直接接触することなく、対応するウェハ３の各部の温
度を測定できるものごある。

さらに、チャンバ１の外部には、チャンバｌの１−ト簡
に所定の間隔をおいて複数のハロゲンランプ８（加熱手
段）が平行乙こ配設され、チャンバ１の内部に位置され
るウェハ３に熱線が照射され、ウェハ３が加熱されるよ
うに構成されている。

この場合、複数のハロゲンランプ８は複数の加熱ゾーン
Ｒ１（制御単位）および加熱ゾーンＲ２（制御準位）、
加熱ゾーンＲ３（制御屯位）に分割されて制御されるよ
うに構成され、制御部Ｐによっ°ζ制御される出力分配
部［）■および出力分配部■）２．出力分配部Ｄ３にそ
れぞれ接続されることによって各加熱ゾーンの熱出力が
個別に制？３１１可能にされ、制御部Ｐからの司令に基
づいて、各加熱ゾーンの熱出力の分配比が逐次所望の値
に設定されるものである。

この制御部Ｐにおける制御は、たとえば比例動作、積分
動作、微分動作を組み合わせた、いわゆるＰ　Ｉ　Ｉ３
制御である。

さらに、チャンバ１の上方に配設されたハロゲンランプ
８とチャンバ１の下方に配設されたハト２ゲンランブ８
は軸ｈ゛向が直交するように配設され、ハロゲンランプ
８の配設方向の偏りなどに起因してチャンバ１の内部に
位置されろウェハ３の加熱が不均一になることが防止さ
れている。

なお、図が煩雑となることを避けるため、チャンバ１の
下側に配設された複数のハロゲンランプ８の前記各出力
分配部への接続の図示は省略しである。

また、複数のハロゲンランプ８の背面側には、たとえば
アルミニラ１、などからなる反射板９が設けられ、ハロ
ゲンランプ８から発生される熱線がチャンバ１の内部に
効率良く照射される構造とされている。

さらＣ９二、反射板９の背面側には、流体シャケ・７１
・１０が設けられ、冷媒人口１１および冷媒出口１２を
通じて、たとえば冷却水が流通されるよ・）に構成され
、ハ１７ゲンランブ８自身の温度が過度に上昇されるこ
とが防止されている。

また、前記チャンバ１の内部は所定の不活性ガス源（図
示・せず）に接続され、内部がたとえば窒素ガスなどの
１Ｆ酸化性の雰囲気にされる構造とされている。

以ト、本実施例の作用について説明する。

はしめに、チャンバ１の内部は窒素ガスなどの非酸化性
の雰囲気にされており、シャッタ機構６を通じてウェハ
３が挿入され、サセプタ２の１−に載置される。

次に、複数のハロゲンランプ８が点灯され、熱線がチャ
ンバ１の内部に照射されて徐々にウエハ３の加熱が開始
される。

この場合、制御部Ｐは、たとえばウェハ３の中央部に対
応する温度センサ７の位ｌ　ｃ　（代表点）の温度と目
標の定常加熱温度との差に基づいて、加熱ゾーンＲ１お
よびＲ２，Ｒ３の熱出力の調整を開始するが、昇温過程
においてウェハ３の周辺部が中央部よりも昇温速度が比
較的大となることなどに起因して、ウェハ３の中央部に
対応する位置Ｃにおいて観測される温度とウェハ３の周
辺部に対応する位置Ｅ、さらには前記の中間の位置に対
応する位置Ｍにおいて観測される温度との間に差異が生
じた場合、出力分配部ＤＩおよびＤ２゜Ｄ３を介して、
加熱ゾーンＲ１およびＲ２，Ｒ３における熱出力の分配
比を逐次変化させ、ウェハ３の中央部と周辺部との温度
差が最小となるように制御し、昇温過程においてウェハ
３の各部における温度分布が不均一となることが防止さ
れる。

そして、ウェハ３の各部の温度均一な状態で目標の定常
加熱温度に達した後は所定の時間だけ前記各加熱ゾーン
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３における熱出力の分配比が所定の値に
ほぼ一定に保持され、ウェハ３には所定の温度の下でア
ニールが施され、たとえばイオン注入などによる導入不
純物の活性化や不純物導入部の結晶欠陥の回復や消滅な
どが行われる。

その後、各加熱ゾーンの熱出力は徐々に低下され、降温
過程が開始される。

この時、ウェハ３の周辺部が中央部よりも比較的降温速
度が大となることなどに起因して発生されるウェハ３の
中央部に対応する温度センサ７の位置Ｃにおいて観測さ
れる温度と、ウェハ３の周辺部などに対応する温度セン
サ７の位置Ｅおよび位置Ｍにおいて観測される温度との
差異が最小となるように制御部Ｐは出力分配部Ｄ１およ
びＤ２゜Ｄ３を介して加熱ゾーンＲ１およびＲ２，Ｒ３
における熱出力の分配比が逐次変化され、ウェハ３の降
温過程においてウェハ３の各部の温度分布が不均一とな
ることが防止される。

ウェハ３の各部における温度分布を加熱時間の経過につ
いて示したのが第２図ｆａｌおよびｆｂｌであり、ウェ
ハ３の中心部の温度を実線で、ウェハ３の周辺部の温度
を破線でそれぞれ示している。

すなわち、同図ｆａｔは考えられるアニール方法におけ
るものであり、定常加熱過程における温度分布の均一性
は比較的良いが、昇温過程および降温過程におけるウェ
ハ３の中心部と周辺部との温度差が大きくなっている。

一方、同図（ｂｌは本実施例の場合であり、定常加熱過
程はもちろん、昇温および降温の各過程においてもウェ
ハ３の中心部と周辺部の温度差はほとんどみられず、ウ
ェハ３の各部における温度分布が均一となることが知ら
れる。

このように、ウェハ３の複数点の温度を温度センサ７に
よって検知し、複数点の中の代表点の温度が目標値に一
致されるように、かつ前記代表点以外の温度は、前記代
表点との温度差が最小になるように、複数の加熱ゾーン
Ｒ１およびＲ２，Ｒ３における熱出力の分配比が逐次制
御されるため、定常加熱および定常加熱温度までの昇温
、定常加熱からの降温の各過程におけるウェハ３の温度
分布の不均一さが低減され、アニール過程におけるウェ
ハ３の温度分布が均一に維持される。

この結果、たとえば昇温および降温過程などにおけるウ
ェハ３の各部の温度差に起因して、ウェハ３に熱応力転
位などの結晶欠陥が誘発されたり、素子の活性層におけ
る導入不純物の活性化の不均一さに起因する抵抗値のば
らつきが生じることなどに起因して素子の特性が劣化さ
れることが回避できる。

［実施例２］ 第３図は、本発明の他の実施例である加熱処理装置の要
部断面を示す説明図である。

本実施例２においては、温度センサ７の測定点の数に対
応して制御部ＰＩおよび制御部Ｐ２および制御部Ｐ３が
独立に設けられ、さらに前記測定点に対応するように加
熱ゾーン４．加熱ゾーンＲ５、加熱ゾーンＲ６が複数設
けられているところが前記実施例１と異なる。

そＵ７て、前記の複数の加熱シーソはそわぞ１１前記均
数の制御［）部ｉ”よって独−１′Ｉに、たとえばＩ）
　ｌ　Ｉ’）方式によって熱出力が直接１５．−制御さ
れるものである。

このようｔ、て３．ａ斤セン４Ｊ　７の測定点毎に制御
部および加熱ゾーンを独立るこ設ける。：：　Ｌ’ｉ　
６．１：　、にり、ウェハ３の各部におりる温度分−／
ｉｉ唆より精密に制御でき、ウエハ３の均一・なアニー
ルが可能となる。

［効果） （１）、被処理物の１Ｍ数点に対応する位置に配設され
、被処理＋４！Ａ名部の温度を検知する温度セン→Ｊと
、被加熱物を加熱するよう乙こ配設され、熱出力を個別
に制御することが可能な複数の制御単位に６１割された
加熱−「段と、＋ｉｉｆ記温度１！ン４Ｉの測定イーに
基づき、前記加ｔｊ、　：Ｊ一段の各制御即位における
熱出力の分配比苓制御する制御部と、ｎ；１記制御部か
らの分配比に基づいて前記加熱手段の各制御ｉ１’＋位
の熱出力を決定する出力分配部とで構成さ才１、前記被
処理物の代表点の温度が所定の設定値に一致され、前記
代表点以夕）の温度は、１１；１記代表点、１−の’ｉ
Ａ＆度差が最小となる、Ｌうに、前記加熱１段の複数の
制御単位の熱出力の舅配比が逐次制御されるたぬ、定常
加熱温度に到達するまで屏ｌＡｋ過稈および定常加熱温
度から常温までの陣温加熱過程などにおいて被処理物の
各部にお（する温度分布の不均一になろ、τとが防止さ
れ、熱処理過程における被処理物各部の温度分４Ｊを均
・ｃ、＝維持できる。

（２）、前記ｉｌ＋の結果、に？エバのアニールに、衿
いて、たとえばＭ温および隆温過稈などにＪ−タけるウ
ェハの各部の温度差に起因して、ウェハに熱応力軽信な
どの結晶欠陥が誘発されたり、素子のＷ；付層における
導入不純物の活性化の不均一さに起因ずろ抵抗値のばら
つきが生しることなどに起因して素子の特性が劣化され
ることが回避でき、つＪハに形成される半導体素子の歩
留りが向十される。

（３）、制御部が、加熱手段の掬数の制御ｆｐ位に幻応
して複数段υられ、前記各制御単位における熱出力が独
立に制御されるように構成される１ｒとにより、被処理
物の各部における温度分布の制御がより精密４”でき、
被処理物の温度分布を均一・に維持できる。

（４）、前記（１）〜（３）の結５Ｖ、半導体装置の製
造におもする生産性が向１さ芽する。

以り本発明者によ−、′（なされた発明を実施例に基づ
き其体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更
可能であることはいうまでもない。

たとえば、加熱ゾーンおよび温度測定点の数は４以上で
あってもよい。

［利用分野］ 以−１−の説明では十として本発明者によっＣなされた
発明をその背景となった利用分野であるウェハのアニー
ル技術に適用した場合について説明したが、それに限定
されるものではなく、たとえば、酸化性雰囲気の下での
薄い熱酸化膜形成技術などにも適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の−・実施例である熱処理装置の要部
断面を示す説明図、 第２図Ｔａｌは名えられるアニール方法におけるウェハ
の温度分布を説明する図、 第２図中）は本発明の実施例１におけろウエハの温度分
布を説明する図、 第３図は、本発明の他の実施例である加熱処理装置の要
部断面を示す説明図である。 ■・・・チャンバ、２・・・サセプタ、３・・・ウェハ
（被処理物）、４・・・突起部、５・・・軸、６・・・
シャッタ機構、７・・・温度センサ、８・・・ハロゲン
ランプ（加熱手段）、９・・・反射板、１０・・・流体
シャリ゛ソト、１１・・・冷媒入口、１２・・・冷媒用
］二１、Ｃ，Ｍ、Ｅ・・・複数点、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，
Ｒ４，Ｒ５゜Ｒ６・・・加熱ゾーン（加熱手段）Ｓｌ、
Ｓ２、Ｓ３・・・センサ出力検知部、Ｐ、Ｐｌ、Ｒ２゜
Ｒ３・・・制御部、ＤＩ、Ｄ２．Ｄ３・・・出力分配部
。 第　　１　　回 さ５　　　　　　　ｒ 第　　２　　図 とα） （ｂ） ４イ遥頂キ腿　−一−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱出力を独立に制御可能な複数の制御単位からなる
   加熱手段によって被処理物を加熱する熱処理方法であっ
   て、前記被処理物の複数点の温度を検知し、前記複数点
   の中の代表点の温度が目標値に一致されるように、かつ
   前記代表点以外の温度は、前記代表点との温度差が最小
   になるように、前記加熱手段の複数の制御単位における
   熱出力の分配比を逐次制御することを特徴とする熱処理
   方法。 ２、前記被処理物がウエハであり、前記熱処理方法がア
   ニール方法であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の熱処理方法。 ３、被処理物の複数点に対応する位置に配設され、該被
   処理物各部の温度を検知する温度センサと、被加熱物を
   加熱するように配設され、熱出力を個別に制御すること
   が可能な複数の制御単位に分割された加熱手段と、前記
   温度センサの測定値に基づき、前記加熱手段の各制御単
   位における熱出力の分配比を制御する制御部と、前記制
   御部からの分配比に基づいて前記加熱手段の各制御単位
   の熱出力を決定する出力分配部とからなり、前記被処理
   物の代表点の温度が所定の設定値に一致され、前記代表
   点以外の温度は、前記代表点との温度差が最小となるよ
   うに、前記加熱手段の複数の制御単位の熱出力の分配比
   が逐次制御されることを特徴とする熱処理装置。 ４、前記制御部が、前記加熱手段の複数の制御単位に対
   応して複数設けられ、前記各制御単位における熱出力が
   独立に制御されるように構成されてなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第３項記載の熱処理装置。 ５、前記加熱手段が、複数のハロゲンランプであること
   を特徴とする特許請求の範囲第３項記載の熱処理装置。 ６、前記被処理物がウエハであり、前記熱処理装置がア
   ニール装置であることを特徴とする特許請求の範囲第３
   項記載の熱処理装置。