JPS62271420A - 半導体基体の処理装置 - 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】 発明の詳細な説明 本発明は、半導体基体の処理装置に関し、その目的とす
るところは従来の電気炉による熱処理とは異なり、直接
高出力の連続的インコヒーレント光を半導体基体に照射
して急速に加熱し、不純物の拡散を抑え高温−短時間の
熱処理を可能にすることにある。

例えばイオン注入された半導体基体においては、そのイ
オン注入領域の結晶欠陥を回復させ注入原子を電気的に
活性化させるために熱処理が施されるが、従来技術とし
ては電気炉を用いて加熱する方法が代表される。この電
気炉アニールは熱容量の大きい炉を加熱して様いる為に
、急熱、急冷が難しく、安定な熱処理を得るには少くと
も１０分以上、通常１５分間から１時間の熱処理時間が
必要となる。

特に最近のＧａＡｓ化合物半導体の）’ＩＥＳ−ＦＥＴ
　、又は高速論理【Ｃの製造においては、ＧａＡｓ基板
に含まれているＣｒが、従来の長時間熱処理（イオン注
入後の活性化処理）では外部拡散してしまい、イオン注
入のもつ制御性、再現性をそこなうという問題が生じる
。叩ち、例えば半絶縁性ＧａＡｓ基板にイオン注入して
浅いＮ形層を形成せんとしても、イオン注入後の熱処理
によって、半絶縁性（高抵抗）にするために予めドープ
されている不純物Ｃｒが蒸発し、またイオン注入された
不純物Ｓｉ（ドナー）の再分布で深いＮ形層が作られて
しまう。又、熱的に不安定なＧａＡｓ基板では、長時間
熱処理によって基板表面にＧａＡｓ０熱分解によるＡｓ
空格子点の発生、これに伴うピット（凹み）が発生し、
所謂表面粗れを起す。これが為に、ＧａＡｓ基板表面に
３１０２１Ｓｉ３Ｎ４などの保護膜をつけてＧａＡｓ熱
分解を防ぐことが一般に行なわれており、さらに良好な
方法として外部雰囲気にＡｓを加えてＡｓ圧力によって
ＧａＡｓの熱分解を防ぐことも行われてきた。しかし、
これらの方法も安全ではなく、使用するＧａＡｓ基板が
熱によって電気的性質を変えてしまう問題が解決されて
いない。

一方、従来の電気炉アニールに代る短時間の熱処理とし
ては、レーザ光や電子ビームを用いた方法が研究されて
いるが、これらの方法はいずれも細く絞ったビームを重
ね合わせて照射していく方法が主流であり、百円の均一
性確保を考えると、ビームの安定性も含めて問題が残さ
れている。又レーザ光によるアニール法では５ｉＱ２−
Ｓｉあるいは多結晶Ｓｉ−５ｔ０２−Ｓｉ等の多層構造
に応用した場合、コヒーレント光である為に干渉効果を
生じ、５ｉ０２膜厚等に応じて照射パワーをコントロー
ルしなければならない。

本発明は、上述した従来の問題点を改善し、高温−短時
間で良好な熱処理を可能にした半導体基体の処理装置を
提供するものである。

本発明においては、熱処理すべき所要の半導体基体に高
出力の連続的インコヒーレント光を照射し、短時間に加
熱することにより不純物の拡散を極力少なくして所望の
熱処理を行うものであり、特にその際に半導体基体を加
熱炉内に於て中空に支持し両面から高出力光を照射して
急速な加熱処理を行う事を特徴とする。１１］ち、本発
明は半導体基体をその両主面が露出するように支持する
手段と、半導体基体の両主面に対向するランプと反射鏡
からなる加熱手段とを有し、加熱手段が可動であること
を特徴とする半導体基体の処理装置である。この処理装
置によれば、例えばイオン注入したＳｉ、ＧａＡｓ等の
半導体基板の電気的活性に際して、本来の活性化に必要
な熱エネルギーが瞬時に供給され、イオン注入した不純
物の拡散を抑えて活性化ができる。従って大規模集積回
路（ＬＳＩ）プロセスで必要とされる浅い接合形成にお
いて好適であり、特に熱的に不安定なＧａＡｓ等の化合
物半導体の場合、その基板自体の熱変成を抑えられイオ
ン注入のもつ制御性、再現性を損うことがない。

以下、実施例を参照しながら本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す処理装置すなわちラン
プ光線照射装置（波長０．４〜４．０μｌの連続的イン
ヒーレント光）であり、同図中（１）は熱処理すべき半
導体ウェーハ、例えばイオン注入された半導体ウェーハ
、（２）はこの半導体ウェーハ（１）を収容した石英管
（所謂加熱炉）で熱処理時には例えばＮ２ガス（７１／
ｍ１ｎ）が供給される。（３）は石英管（２）の外側上
下に配した赤外線ランプ装置で例えばタングステン・ハ
ロゲン・ランプ（４）を具備し之より波長０．４〜４．
０μｍの連続的インヒーレント光が放物線反射鏡（５）
によって反射され半導体ウェーハ（１）に均一に照射さ
れる。この連続的インヒーレント光は要するに高融点金
属を加熱させる輻射光であり、ヒーターとしてタングス
テンのほかには炭素、クンタル、チタンなどでもよい。

上下のランプ装置（３）は夫々相対的に可動できるよう
に配される。そして、本例では熱処理される半導体ウェ
ーハ（１）を石英管（２）内において石英の枠状サスペ
ンダ（６）の内側に延びた４本（３本以上）の突起を介
してその両主面（ＩＡ）及び（ＩＢ）が露出するように
中空に支持し、半導体ウェーハ（１）に対し両主面（Ｉ
Ａ）及び（ＩＢ）よりランプ光線を照射して加熱するよ
うになす。

実施例（１） ＣＺ結晶方位（１１０）　、　　（１１１）のシリコン
基板に２００ＫｅＶのボロンイオン（Ｂ＋）を１Ｏ１５
ｃｒａ−２注入し、このイオン注入されたシリコン基板
（１）を第１図のランプ光線照射装置を用いて熱処理し
たときの照射時間とイオン注入層の活性化度を調べた。

第２図は昇温特性（照射時間一温度）の例を示している
が６秒の照射で１２００℃に達している。

第３図は照射時間とシート抵抗値の関係を示し○印はＣ
Ｚ（１００）のＮ形シリコン基板（４０〜８０Ω−ｃｍ
）の場合、Δ印はＣＺ（１１１）のＮ形シリコン基板（
６０〜８０Ω−ｃｍ）の場合である。従来の電気炉アニ
ール１１００℃、１５分間のシート抵抗は８０Ω／口で
あり、これと同等の値が６秒という短時間の照射で得ら
れている。

第４図は■肘Ａ解析によるｃｚ（１１１）のシリコン基
板中のボロンの濃度分布を示している。破線曲線（Ｉ）
は理論値、実線曲線（ｎ）はイオン打込時、・印は本発
明アニール（照射時間６秒）、○印は電気炉アニール１
０００℃、１５分間、０印は電気炉アニール１１００℃
、１５分間である。従来の電気炉アニール法では注入不
純物（ボロン）が拡散し再分布されているのに対して、
本発明アニールではほとんど注入不純物分布のままであ
るのが認められる。

実施例（２） ＧａＡｓ基板のイオン注入層の電気的活性化に応用した
場合である。注入は７０ＫｅＶのシリコンイオン（Ｓｉ
”　）を３×１０１２ＣＩｌｌ−２注入した。ＧａＡｓ
基板の熱処理では予めドープされたＣｒの外部拡散によ
る基板の熱変成（過剰キャリアの発生）が問題となるが
、本発明の高温−短時間処理による上記熱変成の効果を
明確にする為に故意に熱変成し易い基板を実験に用いた
。その結果を第５図に示す。なお、各ＧａＡｓ基板の表
面にＳｉ３Ｎ４の保護膜を被着してアニールした０曲線
（ａｌは従来の電気炉アニール８５０”Ｃ，１５分間、
曲線（ｂ）は本発明アニール９００℃、　１０秒、曲線
（ｃ）は本発明アニール９４０℃、０秒である。

従来の８５０℃、１５分間の熱処理では過剰キャリアが
著るしく発生しているが、本発明の９００℃、１０秒又
は９４０℃、０秒（昇温して直ぐにスイッチを切る、即
ち９４０℃での温度持続時間がないこと）では過剰キャ
リアの発生は見られず急峻なキャリア分布が得られる。

第６図は本発明の他の実施例のランプ光線照射装置であ
る。同図において第１図と対応する部分には同一符号を
付して重複説明を省略する。本例では、石英管（２）内
において半導体基体（１）とその保持基体（７）の夫々
の一生面（ＩＢ）及び（７Ａ）が接するように保持して
夫々の半導体基体（１）及び保持基体（７）の池主面（
ＩＡ）及び（７Ｂ）が露出するように石英の枠状サスペ
ンダ（６）の内側に延びた４本（３本以上）の突起を介
して中空に支持する。即ち保持基体（７）を石英サスペ
ンダ（６）を介して点支持し、この保持基体（７）上面
に半導体基体（１）の−上面（ＩＢ）を密接するように
載置する。保持基体（７）はランプ光線の吸収がよく熱
容量が小さく、さらに表面が平滑であることが必要で例
えばシリコンウェーハを用い得る。そして、半導体基体
（１）の露出する面（ＩＡ）及び保持基体（７）の露出
する面（７Ｂ）の双方からランプ光線を照射して加熱す
るようになす。

温度制御は保持基体（７）に設けた熱電対（８）によっ
てモニターして行う。

実施例（３） 半絶縁性ＧａＡｓ基板にシリコンイオン（Ｓｉ”　）を
７ＱＫｅＶでドーズ量３　Ｘ　１０１２ｃｍ−２注入し
、このイオン注入された半絶縁性ＧａＡｓ基板（１）を
第６図の赤外線照射装置を用いて熱処理した場合と、従
来の電気炉アニールで処理した場合を調べた。第７図は
熱変成（過剰キャリアの発生）の効果を測定したキャリ
ア濃度分布図である。曲線（ａ′）はＧａＡｓ基板の表
面に５ｉ３Ｎ４（１０００人厚）０保護膜を被覆し、従
来の電気炉アニール８５０　’Ｃ、１５分間の場合、曲
線（ｂ′）は第６図のランプ光線照射装置を用い、Ｇａ
Ａｓ基板の表面にＳｉ：＋８４　　（１０００人厚）０
保護膜を被覆して、ＧａＡｓ基板（１）のイオン注入面
を上向きにしてシリコンウェーハの保持基体（７）に載
置し、９５０℃のアニールを行った場合、曲線（Ｃ′）
は第６図のランプ光線照射装置を用い、保護膜を被覆せ
ずにＧａＡｓ基板（１）のイオン注入面を下向き即ちシ
リコンウェーハの保持基体（７）の面に密接して９５０
℃のアニールを行った場合である。

曲線（ａ′）で示すように従来の電気炉アニールでは極
めて大きなＮ形変成層が発生しているが、曲線（ｂ’）
、　　（Ｃ’）の本発明アニールではＮ形変成層の発生
が完全に抑えられ、電気的活性化率もほぼ１００％の形
を示している。曲線（Ｃ′）の場合はシリコンウェーへ
の保持基体（７）の平滑面にＧａＡｓ基板（１１のイオ
ン注入面が密接しＡｓ蒸発を防いでいる。又このシリコ
ンウェーハは熱容量が小さいので昇温か早く両面加熱に
よってＧａＡｓ基板に対して活性化に必要な熱エネルギ
ーの供給が瞬時に達成される。

実施例（４） 第６図において保持基体（７）を用いず、イオン注入さ
れた半導体基体（１）を互にそのイオン注入面を合せて
サスペンダ（６）で中空に支持して熱処理してもよい。

あるいは２枚のイオン注入された半導体基体（１）をそ
のイオン注入面を合せて保持基体（７）上に重ね合せて
もよい。

上述せる如く、本発明によれば、イオン注入された半導
体基体に対して連続的インコヒーレント光を両面から照
射し加熱することにより高温−短時間でイオン注入され
た不純物を再分布させずにイオン注入領域の電気的活性
化ができ、イオン注入のもつ制御性、再現性がそこなわ
れない。そして、半導体基体の両生面方向から連続的イ
ンコヒーレント光を照射すると共に、このインコヒーレ
ント光と半導体基体とを相対的に移動させることにより
、半導体基体をより均一にアニールすることができ、半
導体基体内の活性化の均一性をより高めることができる
。特にＧａＡｓ化合物半導体の如く熱的に不安定な半導
体基体においては短時間でイオン注入領域の活性化がな
されるので、ＧａＡｓの熱分解が抑えられ、また予めド
ープされたＣｒＯ外部拡散も無視出来るほど小さく、基
板自体の熱変成も抑えられ、真にイオン注入の制御性を
発揮できる。従ってＧａＡｓ化合物半導体を用いた半導
体装置において浅い接合形成が可能となり特性劣化が回
避される。又、Ｓｉ−５ｉ０２構造、多結晶Ｓｉ−Ｓｔ
構造等の如き多層構造のアニールに本発明を通用した場
合連続的インコヒーレント光の波長が０．４〜４．０μ
ｍの広範囲にあるためにレーザアニールで問題となる波
長干渉効果は無視できる。この様に本発明は、高温−短
時間の熱処理によって注入不純物の活性化に必要な熱ス
トレスにとどめ、従来の熱処理法での問題を除いた実用
的且つ省力化を兼ね備えた熱処理を提供できる。

尚、本発明処理装置は、イオン注入領域の電気的活性化
処理に限らず、所謂不純物の再分布を起させない短時間
アニールの全てに適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の処理装置すなわちランプ光線照射装置
の実施例を示す断面図、第２図は本発明の説明に供する
昇温特性図、第３図は照射時間−シート抵抗の特性図、
第４図はＩＨＭＡ解析によるシリコン基板中のボロンの
濃度分布図、第５図はイオン注入されたＧａＡｓ基板の
熱処理における基板表面からの深さ−キャリア濃度の関
係を示す特性図、第６図は本発明の処理装置すなわちラ
ンプ光線照射装置の他の実施例を示す断面図、第７図は
第６図の装置を用いてイオン注入されたＧａＡｓ基板を
熱処理したときの基板表面からの深さ一キャリア濃度の
関係を示す特性図である。 （１１は熱処理される半導体基体、（２）は石英管、（
３）は処理装置、（６）はサスペンダである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基体とその両主面が露出するように支持する手段
   と、上記半導体基体の両主面に対向するランプと反射鏡
   からなる加熱手段とを有し、該加熱手段が可動であるこ
   とを特徴とする半導体基体の処理装置。