KR20180056385A - 도펀트 도입 방법 및 열처리 방법 - Google Patents

도펀트 도입 방법 및 열처리 방법 Download PDF

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Abstract

반도체 기판에 효율적으로 도펀트를 확산시킬 수 있는 도펀트 도입 방법 및 열처리 방법을 제공한다.
반도체 웨이퍼의 표면에 도펀트로서의 인을 포함하는 이산화규소의 박막인 PSG막을 성막한다. PSG막이 성막된 반도체 웨이퍼를 수소를 포함하는 분위기 중에서 할로겐 램프로부터의 광조사에 의해 가열 온도 T1로 1초 이상 유지하여 PSG막으로부터 반도체 웨이퍼의 표면에 도펀트를 확산시킨다. 또한, 그 반도체 웨이퍼에 1초 미만의 조사 시간으로 플래시 램프로부터 플래시광을 조사하여 반도체 웨이퍼의 표면을 목표 온도 T2로 가열하여 도펀트를 활성화시킨다. 수소를 포함하는 분위기 중에서 PSG막이 승온되면 PSG막에 포함되는 도펀트의 확산 계수가 높아지기 때문에, PSG막으로부터 반도체 웨이퍼에 효율적으로 도펀트를 확산시켜 활성화시킬 수 있다.

Description

도펀트 도입 방법 및 열처리 방법{DOPANT INTRODUCTION METHOD AND THERMAL TREATMENT METHOD}
본 발명은, 반도체 기판에 도펀트를 도입하여 활성화시키는 도펀트 도입 방법 및 열처리 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서, 단결정의 실리콘 또는 게르마늄으로의 도펀트의 도입은 필요 불가결한 공정이다. 도펀트를 도입함으로써, n형 반도체 또는 p형 반도체가 작성된다. 도펀트의 도입은, 전형적으로는 게르마늄 등의 반도체 기판에 붕소(B), 비소(As), 인(P) 등의 도펀트 원자를 이온 주입하고, 그 반도체 기판에 어닐 처리를 실시하여 도펀트 원자를 활성화시킴으로써 실현된다.
또, 최근, 종래의 평면형(플레이너형)의 디바이스 구조를 입체적인 구조로서 디바이스 성능을 높이는 시도가 이루어지고 있다(예를 들면, FinFET 등). 이러한 입체적인 구조의 경우, 종래부터 주류였던 이온 주입법에서는 필요한 개소로의 도펀트 주입이 곤란한 경우가 있다. 이 때문에, 이온 주입과는 상이한 도펀트 도입 기술로서, 붕소나 인 등의 도펀트를 첨가한 산화물의 박막(PSG막, BSG막 등)을 반도체 기판 상에 성막하고, 그것에 어닐 처리를 실시함으로써 도펀트 원자를 당해 박막으로부터 반도체 중에 확산시키는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 등).
일본국 특허공개 2007-201337호 공보
한편, 반도체 기술의 진전에 수반하여, 보다 작은 열용량의 프로세스가 요구되고 있으며, 밀리세컨드 오더 혹은 나노세컨드 오더의 극히 단시간의 열처리 프로세스가 주류가 되어 가고 있다. 단시간 또한 저열용량의 프로세스에서는, PSG막 등 중에 있어서의 도펀트의 확산 길이가 짧아져, 그 결과 반도체 중에 충분한 도펀트를 확산시킬 수 없다는 문제가 생긴다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 반도체 기판에 효율적으로 도펀트를 확산시킬 수 있는 도펀트 도입 방법 및 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1의 발명은, 반도체 기판에 도펀트를 도입하여 활성화시키는 도펀트 도입 방법에 있어서, 반도체 기판의 표면에 도펀트를 포함하는 이산화규소의 막을 형성하는 성막 공정과, 수소를 포함하는 분위기 중에서 상기 반도체 기판을 제1 온도로 1초 이상 유지하여 상기 도펀트를 포함하는 이산화규소의 막으로부터 상기 반도체 기판의 표면에 상기 도펀트를 확산시키는 제1 가열 공정과, 상기 수소를 포함하는 분위기 중에서 상기 반도체 기판에 1초 미만의 조사 시간으로 플래시광을 조사하여 상기 반도체 기판의 표면을 제2 온도로 가열하여 상기 도펀트를 활성화시키는 제2 가열 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 2의 발명은, 청구항 1의 발명에 관련된 도펀트 도입 방법에 있어서, 상기 제1 가열 공정 후, 상기 반도체 기판을 상기 제1 온도보다 낮은 제3 온도로 냉각한 후에 상기 제2 가열 공정을 실행하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 3의 발명은, 청구항 2의 발명에 관련된 도펀트 도입 방법에 있어서, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 저온인 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 4의 발명은, 청구항 1의 발명에 관련된 도펀트 도입 방법에 있어서, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 고온인 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 5의 발명은, 청구항 1의 발명에 관련된 도펀트 도입 방법에 있어서, 상기 도펀트를 포함하는 이산화규소의 막은 PSG막 또는 BSG막인 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 6의 발명은, 청구항 1의 발명에 관련된 도펀트 도입 방법에 있어서, 상기 수소를 포함하는 분위기는, 질소 가스에 수소 가스를 혼합한 혼합 가스의 분위기인 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 7의 발명은, 열처리 방법에 있어서, 그 표면에 도펀트를 포함하는 이산화규소의 막이 성막된 반도체 기판을 수소를 포함하는 분위기 중에서, 제1 온도로 1초 이상 유지하여 상기 이산화규소의 막으로부터 상기 반도체 기판의 표면에 상기 도펀트를 확산시키는 제1 가열 공정과, 상기 수소를 포함하는 분위기 중에서 상기 반도체 기판에 1초 미만의 조사 시간으로 플래시광을 조사하여 상기 반도체 기판의 표면을 제2 온도로 가열하여 상기 도펀트를 활성화시키는 제2 가열 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항 1 내지 청구항 7의 발명에 의하면, 수소를 포함하는 분위기 중에서 반도체 기판을 제1 온도로 1초 이상 유지하여 도펀트를 포함하는 이산화규소의 막으로부터 반도체 기판의 표면에 도펀트를 확산시키기 때문에, 수소를 포함하는 분위기 중에서는 이산화규소 중의 도펀트의 확산 계수가 높아져, 반도체 기판에 효율적으로 도펀트를 확산시킬 수 있다.
특히, 청구항 2의 발명에 의하면, 제1 가열 공정 후, 반도체 기판을 제1 온도보다 낮은 제3 온도로 냉각한 후에 제2 가열 공정을 실행하기 때문에, 열처리 프로세스 전체의 열용량이 작은 것이 되어, 제2 가열 공정에서 반도체 기판에 도펀트가 과잉하게 확산되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관련된 도펀트 도입 방법으로 사용하는 열처리 장치의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2는 유지부의 전체 외관을 나타내는 사시도이다.
도 3은 서셉터의 평면도이다.
도 4는 서셉터의 단면도이다.
도 5는 이재(移載) 기구의 평면도이다.
도 6은 이재 기구의 측면도이다.
도 7은 복수의 할로겐 램프의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 8은 플래시 램프의 구동 회로를 나타내는 도이다.
도 9는 도펀트를 포함하는 이산화규소의 박막이 성막된 반도체 웨이퍼의 표면의 구조를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 10은 제1 실시 형태에 있어서의 반도체 웨이퍼의 표면 온도의 변화를 나타내는 도이다.
도 11은 도펀트가 도입된 반도체 웨이퍼의 표면의 구조를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 12는 제2 실시 형태에 있어서의 반도체 웨이퍼의 표면 온도의 변화를 나타내는 도이다.
도 13은 제3 실시 형태에 있어서의 반도체 웨이퍼의 표면 온도의 변화를 나타내는 도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시의 형태에 대해서 상세하게 설명한다.
＜제1 실시 형태＞
우선, 본 발명에 관련된 도펀트 도입 방법을 실시할 때에 필요한 열처리를 실행하는 열처리 장치에 대해서 설명한다. 도 1은, 본 발명에 관련된 도펀트 도입 방법으로 사용하는 열처리 장치(1)의 구성을 나타내는 종단면도이다. 도 1의 열처리 장치(1)는, 기판으로서 원판형상의 반도체 웨이퍼(W)에 대해 플래시광 조사를 행함으로써 그 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 플래시 램프 어닐 장치이다. 처리 대상이 되는 반도체 웨이퍼(W)의 사이즈는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 φ300mm나 φ450mm이다. 또한, 도 1 및 이후의 각 도면에 있어서는, 이해 용이를 위해, 필요에 따라 각 부의 치수나 수를 과장 또는 간략화하여 그리고 있다.
열처리 장치(1)는, 반도체 웨이퍼(W)를 수용하는 챔버(6)와, 복수의 플래시 램프(FL)를 내장하는 플래시 가열부(5)와, 복수의 할로겐 램프(HL)를 내장하는 할로겐 가열부(4)를 구비한다. 챔버(6)의 상측에 플래시 가열부(5)가 설치됨과 함께, 하측에 할로겐 가열부(4)가 설치되어 있다. 또, 열처리 장치(1)는, 챔버(6)의 내부에, 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세로 유지하는 유지부(7)와, 유지부(7)와 장치 외부 사이에서 반도체 웨이퍼(W)의 수도(受渡)를 행하는 이재 기구(10)를 구비한다. 또한, 열처리 장치(1)는, 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)에 설치된 각 동작 기구를 제어하여 반도체 웨이퍼(W)의 열처리를 실행시키는 제어부(3)를 구비한다.
챔버(6)는, 통형상의 챔버 측부(61)의 상하에 석영제의 챔버창을 장착하여 구성되어 있다. 챔버 측부(61)는 상하가 개구된 개략 통형상을 가지고 있으며, 상측 개구에는 상측 챔버창(63)이 장착되어 폐색되고, 하측 개구에는 하측 챔버창(64)이 장착되어 폐색되어 있다. 챔버(6)의 천정부를 구성하는 상측 챔버창(63)은, 석영에 의해 형성된 원판형상 부재이며, 플래시 가열부(5)로부터 출사된 플래시광을 챔버(6) 내로 투과하는 석영창으로서 기능한다. 또, 챔버(6)의 바닥부를 구성하는 하측 챔버창(64)도, 석영에 의해 형성된 원판형상 부재이며, 할로겐 가열부(4)로부터의 광을 챔버(6) 내로 투과하는 석영창으로서 기능한다.
또, 챔버 측부(61)의 내측의 벽면의 상부에는 반사 링(68)이 장착되고, 하부에는 반사 링(69)이 장착되어 있다. 반사 링(68, 69)은, 모두 원환형상으로 형성되어 있다. 상측의 반사 링(68)은, 챔버 측부(61)의 상측으로부터 끼워넣음으로써 장착된다. 한편, 하측의 반사 링(69)은, 챔버 측부(61)의 하측으로부터 끼워넣어 도시 생략된 나사로 고정함으로서 장착된다. 즉, 반사 링(68, 69)은, 모두 착탈 가능하게 챔버 측부(61)에 장착되는 것이다. 챔버(6)의 내측 공간, 즉 상측 챔버창(63), 하측 챔버창(64), 챔버 측부(61) 및 반사 링(68, 69)에 의해 둘러싸이는 공간이 열처리 공간(65)으로서 규정된다.
챔버 측부(61)에 반사 링(68, 69)이 장착됨으로써, 챔버(6)의 내벽면에 오목부(62)가 형성된다. 즉, 챔버 측부(61)의 내벽면 중 반사 링(68, 69)이 장착되어 있지 않은 중앙 부분과, 반사 링(68)의 하단면과, 반사 링(69)의 상단면으로 둘러싸인 오목부(62)가 형성된다. 오목부(62)는, 챔버(6)의 내벽면에 수평 방향을 따라 원환형상으로 형성되고, 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 유지부(7)를 둘러싼다. 챔버 측부(61) 및 반사 링(68, 69)은, 강도와 내열성이 우수한 금속재료(예를 들면, 스테인리스 스틸)로 형성되어 있다.
또, 챔버 측부(61)에는, 챔버(6)에 대해 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 반출을 행하기 위한 반송 개구부(노구(爐口))(66)가 형성되어 있다. 반송 개구부(66)는, 게이트 밸브(185)에 의해 개폐 가능하게 되어 있다. 반송 개구부(66)는 오목부(62)의 외주면에 연통 접속되어 있다. 이 때문에, 게이트 밸브(185)가 반송 개구부(66)를 개방하고 있을 때에는, 반송 개구부(66)로부터 오목부(62)를 통과하여 열처리 공간(65)으로의 반도체 웨이퍼(W)의 반입 및 열처리 공간(65)으로부터의 반도체 웨이퍼(W)의 반출을 행할 수 있다. 또, 게이트 밸브(185)가 반송 개구부(66)를 폐쇄하면 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)이 밀폐 공간이 된다.
또, 챔버(6)의 내벽 상부에는 열처리 공간(65)에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 구멍(81)이 형성되어 있다. 가스 공급 구멍(81)은, 오목부(62)보다 상측 위치에 형성되어 있으며, 반사 링(68)에 설치되어 있어도 된다. 가스 공급 구멍(81)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환형상으로 형성된 완충 공간(82)을 통하여 가스 공급관(83)에 연통 접속되어 있다. 가스 공급관(83)은 처리 가스 공급원(85)에 접속되어 있다. 또, 가스 공급관(83)의 경로 도중에는 밸브(84)가 삽입되어 있다. 밸브(84)가 개방되면, 처리 가스 공급원(85)으로부터 완충 공간(82)에 처리 가스가 송급된다. 완충 공간(82)에 유입된 처리 가스는, 가스 공급 구멍(81)보다 유체 저항이 작은 완충 공간(82) 내를 퍼지듯이 흘러 가스 공급 구멍(81)으로부터 열처리 공간(65) 내로 공급된다. 처리 가스로서는, 예를 들면 질소(N2) 등의 불활성 가스, 또는, 수소(H2), 암모니아(NH3) 등의 반응성 가스, 혹은 그들을 혼합한 혼합 가스를 이용할 수 있다(본 실시 형태에서는 질소 가스와 수소 가스의 혼합 가스).
한편, 챔버(6)의 내벽 하부에는 열처리 공간(65) 내의 기체를 배기하는 가스 배기 구멍(86)이 형성되어 있다. 가스 배기 구멍(86)은, 오목부(62)보다 하측 위치에 형성되어 있으며, 반사 링(69)에 설치되어 있어도 된다. 가스 배기 구멍(86)은 챔버(6)의 측벽 내부에 원환형상으로 형성된 완충 공간(87)을 통하여 가스 배기관(88)에 연통 접속되어 있다. 가스 배기관(88)은 배기부(190)에 접속되어 있다. 또, 가스 배기관(88)의 경로 도중에는 밸브(89)가 삽입되어 있다. 밸브(89)가 개방되면, 열처리 공간(65)의 기체가 가스 배기 구멍(86)으로부터 완충 공간(87)을 거쳐 가스 배기관(88)으로 배출된다. 또한, 가스 공급 구멍(81) 및 가스 배기 구멍(86)은, 챔버(6)의 둘레방향을 따라 복수 설치되어 있어도 되고, 슬릿형상의 것이어도 된다. 또, 처리 가스 공급원(85) 및 배기부(190)는, 열처리 장치(1)에 설치된 기구여도 되고, 열처리 장치(1)가 설치되는 공장의 유틸리티여도 된다.
또, 반송 개구부(66)의 선단에도 열처리 공간(65) 내의 기체를 배출하는 가스 배기관(191)이 접속되어 있다. 가스 배기관(191)은 밸브(192)를 통하여 배기부(190)에 접속되어 있다. 밸브(192)를 개방함으로써, 반송 개구부(66)를 통하여 챔버(6) 내의 기체가 배기된다.
도 2는, 유지부(7)의 전체 외관을 나타내는 사시도이다. 유지부(7)는, 기대 링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)를 구비하여 구성된다. 기대 링(71), 연결부(72) 및 서셉터(74)는 모두 석영으로 형성되어 있다. 즉, 유지부(7)의 전체가 석영으로 형성되어 있다.
기대 링(71)은 원환형상으로부터 일부가 결락된 원호형상의 석영 부재이다. 이 결락 부분은, 후술하는 이재 기구(10)의 이재 아암(11)과 기대 링(71)의 간섭을 막기 위해 설치되어 있다. 기대 링(71)은 오목부(62)의 저면에 재치(載置)됨으로써, 챔버(6)의 벽면에 지지되게 된다(도 1 참조). 기대 링(71)의 상면에, 그 원환형상의 둘레방향을 따라 복수의 연결부(72)(본 실시 형태에서는 4개)가 세워 설치된다. 연결부(72)도 석영의 부재이며, 용접에 의해 기대 링(71)에 고착된다.
서셉터(74)는 기대 링(71)에 설치된 4개의 연결부(72)에 의해 지지된다. 도 3은, 서셉터(74)의 평면도이다. 또, 도 4는, 서셉터(74)의 단면도이다. 서셉터(74)는, 유지 플레이트(75), 가이드 링(76) 및 복수의 기판 지지핀(77)을 구비한다. 유지 플레이트(75)는, 석영으로 형성된 대략 원형의 평판 형상 부재이다. 유지 플레이트(75)의 직경은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 크다. 즉, 유지 플레이트(75)는, 반도체 웨이퍼(W)보다 큰 평면 사이즈를 가진다.
유지 플레이트(75)의 상면 주연부에 가이드 링(76)이 설치되어 있다. 가이드 링(76)은, 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 큰 내경을 가지는 원환형상의 부재이다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300mm인 경우, 가이드 링(76)의 내경은 φ320mm이다. 가이드 링(76)의 내주는, 유지 플레이트(75)로부터 상방을 향해 넓어지는 테이퍼면으로 되어 있다. 가이드 링(76)은, 유지 플레이트(75)과 동일한 석영으로 형성된다. 가이드 링(76)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용착하도록 해도 되고, 별도 가공한 핀 등에 의해 유지 플레이트(75)에 고정하도록 해도 된다. 혹은, 유지 플레이트(75)와 가이드 링(76)을 일체의 부재로서 가공하도록 해도 된다.
유지 플레이트(75)의 상면 중 가이드 링(76)보다 내측의 영역이 반도체 웨이퍼(W)를 유지하는 평면형상의 유지면(75a)이 된다. 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)에는, 복수의 기판 지지핀(77)이 세워 설치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 유지면(75a)의 외주원(가이드 링(76)의 내주원)과 동심원의 둘레 상을 따라 30°마다 합계 12개의 기판 지지핀(77)이 세워 설치되어 있다. 12개의 기판 지지핀(77)을 배치한 원의 직경(대향하는 기판 지지핀(77) 간의 거리)은 반도체 웨이퍼(W)의 직경보다 작고, 반도체 웨이퍼(W)의 직경이 φ300mm이면 φ270mm~φ280mm(본 실시 형태에서는 φ280mm)이다. 각각의 기판 지지핀(77)은 석영으로 형성되어 있다. 복수의 기판 지지핀(77)은, 유지 플레이트(75)의 상면에 용접에 의해 설치하도록 해도 되고, 유지 플레이트(75)와 일체로 가공하도록 해도 된다.
도 2로 되돌아와, 기대 링(71)에 세워 설치된 4개의 연결부(72)와 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 주연부가 용접에 의해 고착된다. 즉, 서셉터(74)와 기대 링(71)은 연결부(72)에 의해 고정적으로 연결되어 있다. 이러한 유지부(7)의 기대 링(71)이 챔버(6)의 벽면에 지지됨으로써, 유지부(7)가 챔버(6)에 장착된다. 유지부(7)가 챔버(6)에 장착된 상태에 있어서는, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)는 수평 자세(법선이 연직 방향과 일치하는 자세)가 된다. 즉, 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)은 수평면이 된다.
챔버(6)에 반입된 반도체 웨이퍼(W)는, 챔버(6)에 장착된 유지부(7)의 서셉터(74) 상에 수평 자세로 재치되어 유지된다. 이 때, 반도체 웨이퍼(W)는 유지 플레이트(75) 상에 세워 설치된 12개의 기판 지지핀(77)에 의해 지지되어 서셉터(74)에 유지된다. 보다 엄밀하게는, 12개의 기판 지지핀(77)의 상단부가 반도체 웨이퍼(W)의 하면에 접촉되어 당해 반도체 웨이퍼(W)를 지지한다. 12개의 기판 지지핀(77)의 높이(기판 지지핀(77)의 상단으로부터 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)까지의 거리)는 균일하기 때문에, 12개의 기판 지지핀(77)에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 수평 자세로 지지할 수 있다.
또, 반도체 웨이퍼(W)는 복수의 기판 지지핀(77)에 의해 유지 플레이트(75)의 유지면(75a)으로부터 소정의 간격을 두고 지지되게 된다. 기판 지지핀(77)의 높이보다 가이드 링(76)의 두께가 크다. 따라서, 복수의 기판 지지핀(77)에 의해 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 수평 방향의 위치 어긋남은 가이드 링(76)에 의해 방지된다.
또, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)에는, 상하로 관통하여 개구부(78)가 형성되어 있다. 개구부(78)는, 방사 온도계(120)(도 1 참조)가 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사되는 방사광(적외광)을 수광하기 위해 설치되어 있다. 즉, 방사 온도계(120)가 개구부(78)를 통하여 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 하면으로부터 방사된 광을 수광하여, 별치의 디텍터에 의해 그 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 측정된다. 또한, 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)에는, 후술하는 이재 기구(10)의 리프트 핀(12)이 반도체 웨이퍼(W)의 수도를 위해 관통하는 4개의 관통구멍(79)이 형성되어 있다.
도 5는, 이재 기구(10)의 평면도이다. 또, 도 6은, 이재 기구(10)의 측면도이다. 이재 기구(10)는, 2개의 이재 아암(11)을 구비한다. 이재 아암(11)은, 대체로 원환형상의 오목부(62)를 따르는 원호형상으로 되어 있다. 각각의 이재 아암(11)에는 2개의 리프트 핀(12)이 세워 설치되어 있다. 각 이재 아암(11)은 수평 이동 기구(13)에 의해 회동 가능하게 되어 있다. 수평 이동 기구(13)는, 한 쌍의 이재 아암(11)을 유지부(7)에 대해 반도체 웨이퍼(W)의 이재를 행하는 이재 동작 위치(도 5의 실선 위치)와 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)와 평면에서 볼 때에 겹치지 않는 퇴피 위치(도 5의 2점 쇄선 위치) 사이에서 수평 이동시킨다. 수평 이동 기구(13)로서는, 개별의 모터에 의해 각 이재 아암(11)을 각각 회동시키는 것이어도 되고, 링크 기구를 이용하여 1개의 모터에 의해 한 쌍의 이재 아암(11)을 연동시켜 회동시키는 것이어도 된다.
또, 한 쌍의 이재 아암(11)은, 승강 기구(14)에 의해 수평 이동 기구(13)와 함께 승강 이동된다. 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 상승시키면, 합계 4개의 리프트 핀(12)이 서셉터(74)에 형성된 관통구멍(79)(도 2, 3 참조)을 통과하여, 리프트 핀(12)의 상단이 서셉터(74)의 상면으로부터 돌출된다. 한편, 승강 기구(14)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 이재 동작 위치에서 하강시켜 리프트 핀(12)을 관통구멍(79)으로부터 빼내고, 수평 이동 기구(13)가 한 쌍의 이재 아암(11)을 열도록 이동시키면 각 이재 아암(11)이 퇴피 위치로 이동한다. 한 쌍의 이재 아암(11)의 퇴피 위치는, 유지부(7)의 기대 링(71)의 바로 윗쪽이다. 기대 링(71)은 오목부(62)의 저면에 재치되어 있기 때문에, 이재 아암(11)의 퇴피 위치는 오목부(62)의 내측이 된다. 또한, 이재 기구(10)의 구동부(수평 이동 기구(13) 및 승강 기구(14))가 설치되어 있는 부위의 근방에도 도시 생략의 배기 기구가 설치되어 있으며, 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기가 챔버(6)의 외부로 배출되도록 구성되어 있다.
도 1로 되돌아와, 챔버(6)의 상방에 설치된 플래시 가열부(5)는, 하우징(51)의 내측에, 복수개(본 실시 형태에서는 30개)의 크세논 플래시 램프(FL)로 이루어지는 광원과, 그 광원의 상방을 덮도록 설치된 리플렉터(52)를 구비하여 구성된다. 또, 플래시 가열부(5)의 하우징(51)의 저부에는 램프광 방사창(53)이 장착되어 있다. 플래시 가열부(5)의 바닥부를 구성하는 램프광 방사창(53)은, 석영에 의해 형성된 판형상의 석영창이다. 플래시 가열부(5)가 챔버(6)의 상방에 설치됨으로써, 램프광 방사창(53)이 상측 챔버창(63)과 서로 대향하게 된다. 플래시 램프(FL)는 챔버(6)의 상방으로부터 램프광 방사창(53) 및 상측 챔버창(63)을 통하여 열처리 공간(65)에 플래시광을 조사한다.
복수의 플래시 램프(FL)는, 각각이 장척의 원통형상을 가지는 봉형상 램프이며, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라(즉 수평 방향을 따라) 서로 평행이 되도록 평면형상으로 배열되어 있다. 따라서, 플래시 램프(FL)의 배열에 의해 형성되는 평면도 수평면이다.
도 8은, 플래시 램프(FL)의 구동 회로를 나타내는 도이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 콘덴서(93)와, 코일(94)과, 플래시 램프(FL)와, IGBT(절연 게이트 바이폴러 트랜지스터)(96)가 직렬로 접속되어 있다. 또, 도 8에 나타내는 바와 같이, 제어부(3)는, 펄스 발생기(31) 및 파형 설정부(32)를 구비함과 함께, 입력부(33)에 접속되어 있다. 입력부(33)로서는, 키보드, 마우스, 터치 패널 등의 다양한 공지의 입력 기기를 채용할 수 있다. 입력부(33)로부터의 입력 내용에 의거하여 파형 설정부(32)가 펄스 신호의 파형을 설정하고, 그 파형에 따라서 펄스 발생기(31)가 펄스 신호를 발생시킨다.
플래시 램프(FL)는, 그 내부에 크세논 가스가 봉입되고 그 양단부에 양극 및 음극이 설치된 봉형상의 유리관(방전관)(92)과, 그 유리관(92)의 외주면 상에 부설된 트리거 전극(91)을 구비한다. 콘덴서(93)에는, 전원 유닛(95)에 의해 소정의 전압이 인가되고, 그 인가 전압(충전 전압)에 따른 전하가 충전된다. 또, 트리거 전극(91)에는 트리거 회로(97)로부터 고전압을 인가할 수 있다. 트리거 회로(97)가 트리거 전극(91)에 전압을 인가하는 타이밍은 제어부(3)에 의해 제어된다.
IGBT(96)는, 게이트부에 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor)를 장착한 바이폴러 트랜지스터이며, 대전력을 취급하는데 적합한 스위칭 소자이다. IGBT(96)의 게이트에는 제어부(3)의 펄스 발생기(31)로부터 펄스 신호가 인가된다. IGBT(96)의 게이트에 소정치 이상의 전압(High의 전압)이 인가되면 IGBT(96)가 온 상태가 되고, 소정치 미만의 전압(Low의 전압)이 인가되면 IGBT(96)가 오프 상태가 된다. 이와 같이 하여, 플래시 램프(FL)를 포함하는 구동 회로는 IGBT(96)에 의해 온 오프 된다. IGBT(96)가 온 오프 함으로써 플래시 램프(FL)와 대응하는 콘덴서(93)의 접속이 단속(斷續)되어, 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류가 온 오프 제어된다.
콘덴서(93)가 충전된 상태로 IGBT(96)가 온 상태가 되어 유리관(92)의 양단 전극에 고전압이 인가되었다고 해도, 크세논 가스는 전기적으로는 절연체이기 때문에, 통상 상태에서는 유리관(92) 내에 전기는 흐르지 않는다. 그러나, 트리거 회로(97)가 트리거 전극(91)에 고전압을 인가하여 절연을 파괴한 경우에는 양단 전극 간의 방전에 의해 유리관(92) 내에 전류가 순시에 흘러, 그 때의 크세논의 원자 혹은 분자의 여기에 의해 광이 방출된다.
도 8에 나타내는 구동 회로는, 플래시 가열부(5)에 설치된 복수의 플래시 램프(FL)의 각각에 개별적으로 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 30개의 플래시 램프(FL)가 평면형상으로 배열되어 있기 때문에, 그들에 대응하여 도 8에 나타내는 바와 같이 구동 회로가 30개 설치되어 있다. 따라서, 30개의 플래시 램프(FL)의 각각에 흐르는 전류가 대응하는 IGBT(96)에 의해 개별적으로 온 오프 제어되게 된다.
또, 리플렉터(52)는, 복수의 플래시 램프(FL)의 상방에 그들 전체를 덮도록 설치되어 있다. 리플렉터(52)의 기본적인 기능은, 복수의 플래시 램프(FL)로부터 출사된 플래시광을 열처리 공간(65)의 측으로 반사한다는 것이다. 리플렉터(52)는 알루미늄 합금판으로 형성되어 있으며, 그 표면(플래시 램프(FL)에 면하는 측의 면)은 블래스트 처리에 의해 조면화 가공이 실시되어 있다.
챔버(6)의 하방에 설치된 할로겐 가열부(4)는, 하우징(41)의 내측에 복수개(본 실시 형태에서는 40개)의 할로겐 램프(HL)를 내장하고 있다. 할로겐 가열부(4)는, 복수의 할로겐 램프(HL)에 의해 챔버(6)의 하방으로부터 하측 챔버창(64)을 통하여 열처리 공간(65)으로의 광조사를 행하여 반도체 웨이퍼(W)를 가열하는 광조사부이다.
도 7은, 복수의 할로겐 램프(HL)의 배치를 나타내는 평면도이다. 40개의 할로겐 램프(HL)는 상하 2단으로 나누어서 배치되어 있다. 유지부(7)에 가까운 상단에 20개의 할로겐 램프(HL)가 설치됨과 함께, 상단보다도 유지부(7)로부터 먼 하단에도 20개의 할로겐 램프(HL)가 설치되어 있다. 각 할로겐 램프(HL)는, 장척의 원통형상을 가지는 봉형상 램프이다. 상단, 하단 모두 20개의 할로겐 램프(HL)는, 각각의 길이 방향이 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 주면을 따라(즉 수평 방향을 따라) 서로 평행이 되도록 배열되어 있다. 따라서, 상단, 하단 모두 할로겐 램프(HL)의 배열에 의해 형성되는 평면은 수평면이다.
또, 도 7에 나타내는 바와 같이, 상단, 하단 모두 유지부(7)에 유지되는 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다 주연부에 대향하는 영역에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 설치 밀도가 높아져 있다. 즉, 상하단 모두, 램프 배열의 중앙부보다 주연부가 할로겐 램프(HL)의 설치 피치가 짧다. 이 때문에, 할로겐 가열부(4)로부터의 광조사에 의한 가열 시에 온도 저하가 생기기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 의해 많은 광량의 조사를 행할 수 있다.
또, 상단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군과 하단의 할로겐 램프(HL)로 이루어지는 램프군이 격자형상으로 교차하도록 배열되어 있다. 즉, 상단에 배치된 20개의 할로겐 램프(HL)의 길이 방향과 하단에 배치된 20개의 할로겐 램프(HL)의 길이 방향이 서로 직교하도록 합계 40개의 할로겐 램프(HL)가 설치되어 있다.
할로겐 램프(HL)는, 유리관 내부에 설치된 필라멘트에 통전함으로써 필라멘트를 백열화시켜 발광시키는 필라멘트 방식의 광원이다. 유리관의 내부에는, 질소나 아르곤 등의 불활성 가스에 할로겐 원소(요오드, 브롬 등)를 미량 도입한 기체가 봉입되어 있다. 할로겐 원소를 도입함으로써, 필라멘트의 파손을 억제하면서 필라멘트의 온도를 고온으로 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 할로겐 램프(HL)는, 통상의 백열전구에 비해 수명이 길고 또한 강한 광을 연속적으로 조사할 수 있다는 특성을 가진다. 즉, 할로겐 램프(HL)는 적어도 1초 이상 연속하여 발광하는 연속 점등 램프이다. 또, 할로겐 램프(HL)는 봉형상 램프이기 때문에 장수명이며, 할로겐 램프(HL)를 수평 방향을 따르게 하여 배치함으로써 상방의 반도체 웨이퍼(W)로의 방사 효율이 우수한 것이 된다.
또, 할로겐 가열부(4)의 하우징(41) 내에도, 2단의 할로겐 램프(HL)의 하측에 리플렉터(43)가 설치되어 있다(도 1). 리플렉터(43)는, 복수의 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 광을 열처리 공간(65)의 측으로 반사한다.
제어부(3)는, 열처리 장치(1)에 설치된 상기의 다양한 동작 기구를 제어한다. 제어부(3)의 하드웨어로서의 구성은 일반적인 컴퓨터와 동일하다. 즉, 제어부(3)는, 각종 연산 처리를 행하는 회로인 CPU, 기본 프로그램을 기억하는 읽어내기 전용의 메모리인 ROM, 각종 정보를 기억하는 읽고쓰기 가능한 메모리인 RAM 및 제어용 소프트웨어나 데이터 등을 기억해 두는 자기 디스크를 구비하고 있다. 제어부(3)의 CPU가 소정의 처리 프로그램을 실행함으로써 열처리 장치(1)에 있어서의 처리가 진행된다. 또, 도 8에 나타낸 바와 같이, 제어부(3)는, 펄스 발생기(31) 및 파형 설정부(32)를 구비한다. 상술한 바와 같이, 입력부(33)로부터의 입력 내용에 의거하여, 파형 설정부(32)가 펄스 신호의 파형을 설정하고, 그에 따라서 펄스 발생기(31)가 IGBT(96)의 게이트에 펄스 신호를 출력한다.
상기의 구성 이외에도 열처리 장치(1)는, 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 시에 할로겐 램프(HL) 및 플래시 램프(FL)로부터 발생하는 열에너지에 의한 할로겐 가열부(4), 플래시 가열부(5) 및 챔버(6)의 과잉한 승온을 방지하기 위해, 다양한 냉각용의 구조를 구비하고 있다. 예를 들면, 챔버(6)의 벽체에는 수냉관(도시 생략)이 설치되어 있다. 또, 할로겐 가열부(4) 및 플래시 가열부(5)는, 내부에 기체류를 형성하여 배열(排熱)하는 공냉 구조로 되어 있다. 또, 상측 챔버창(63)과 램프광 방사창(53)의 간극에도 공기가 공급되어, 플래시 가열부(5) 및 상측 챔버창(63)을 냉각한다.
다음에, 본 발명에 관련된 도펀트 도입 방법에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에 있어서 처리 대상이 되는 반도체 기판은 게르마늄(Ge)의 반도체 웨이퍼(W)이다. 게르마늄의 반도체 웨이퍼(W)는, 실리콘의 기재 상에 게르마늄의 반도체층이 형성된 것이어도 된다.
우선, 게르마늄의 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 도펀트를 포함하는 이산화규소(SiO2)의 박막을 성막한다. 도 9는, 도펀트를 포함하는 이산화규소의 박막이 성막된 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 구조를 모식적으로 나타내는 도이다. 본 발명에 관련된 도펀트 도입 방법에 앞서, 게르마늄의 반도체 웨이퍼(W)의 표면에는, 게이트 절연막(101)을 끼워넣어 게이트 전극(102)가 형성되어 있다. 그 게이트 전극(102)의 양측방에 위치하는 소스 및 드레인의 영역 상에 도펀트를 포함하는 이산화규소의 박막을 성막한다. 본 실시 형태에 있어서의 도펀트를 포함하는 이산화규소의 막은, 도펀트로서의 인(P)을 포함하는 PSG(Phosphorus Silicate Glass)막이다.
PSG막(21)은, 예를 들면 이산화규소를 성막하기 위한 가스에 인을 포함하는 원료 가스를 혼합한 것을 이용하여 CVD에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 성막된다. PSG막(21)은, 상기의 열처리 장치(1)와는 상이한 CVD 장치에 의해 성막된다.
다음에, PSG막(21)이 성막된 반도체 웨이퍼(W)에 대한 열처리가 상기의 열처리 장치(1)에 의해 실행된다. 이하, 열처리 장치(1)에 의한 반도체 웨이퍼(W)의 열처리에 대해서 설명한다. 이하에 설명하는 열처리 장치(1)의 처리 순서는, 제어부(3)가 열처리 장치(1)의 각 동작 기구를 제어함으로써 진행된다.
우선, 게이트 밸브(185)가 열려 반송 개구부(66)가 개방되고, 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반송 개구부(66)를 통하여 반도체 웨이퍼(W)가 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 반입된다. 반송 로봇에 의해 반입된 반도체 웨이퍼(W)는 유지부(7)의 바로 윗쪽 위치까지 진출되고 정지한다. 그리고, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 아암(11)이 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트 핀(12)이 관통구멍(79)을 지나 서셉터(74)의 유지 플레이트(75)의 상면으로부터 돌출되어 반도체 웨이퍼(W)를 받는다. 이 때, 리프트 핀(12)은 기판 지지핀(77)의 상단보다 상방에까지 상승한다.
반도체 웨이퍼(W)가 리프트 핀(12)에 재치된 후, 반송 로봇이 열처리 공간(65)으로부터 퇴출하고, 게이트 밸브(185)에 의해 반송 개구부(66)가 폐쇄된다. 그리고, 한 쌍의 이재 아암(11)이 하강함으로써, 반도체 웨이퍼(W)는 이재 기구(10)로부터 유지부(7)의 서셉터(74)에 수도되어 수평 자세로 하방으로부터 유지된다. 반도체 웨이퍼(W)는, 유지 플레이트(75) 상에 세워 설치된 복수의 기판 지지핀(77)에 의해 지지되어 서셉터(74)에 유지된다. 또, 반도체 웨이퍼(W)는, PSG막(21)이 성막된 표면을 상면으로 하여 유지부(7)에 유지된다. 복수의 기판 지지핀(77)에 의해 지지된 반도체 웨이퍼(W)의 이면(표면과는 반대측의 주면)과 유지 플레이트(75)의 유지면(75a) 사이에는 소정의 간격이 형성된다. 서셉터(74)의 하방에까지 하강한 한 쌍의 이재 아암(11)은 수평 이동 기구(13)에 의해 퇴피 위치, 즉 오목부(62)의 내측으로 퇴피한다.
또, 게이트 밸브(185)에 의해 반송 개구부(66)가 폐쇄되어 열처리 공간(65)이 밀폐 공간이 된 후, 챔버(6) 내의 분위기 조정이 행해진다. 구체적으로는 밸브(84)가 개방되어 가스 공급 구멍(81)으로부터 열처리 공간(65)에 처리 가스가 공급된다. 본 실시 형태에서는, 처리 가스로서 질소 가스(N2)에 수소 가스(H2)를 혼합한 혼합 가스가 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)에 공급된다. 또, 밸브(89)가 개방되어 가스 배기 구멍(86)으로부터 챔버(6) 내의 기체가 배기된다. 이것에 의해, 챔버(6) 내의 열처리 공간(65)의 상부로부터 공급된 처리 가스가 하방으로 흘러 열처리 공간(65)의 하부로부터 배기되고, 열처리 공간(65)이 수소를 포함하는 분위기로 치환된다. 열처리 공간(65)에 형성된 수소를 포함하는 분위기 중에 있어서의 수소의 농도는 예를 들면 약 4vol%이다. 또, 밸브(192)가 개방됨으로써, 반송 개구부(66)로부터도 챔버(6) 내의 기체가 배기된다. 또한, 도시 생략된 배기 기구에 의해 이재 기구(10)의 구동부 주변의 분위기도 배기된다.
도 10은, 제1 실시 형태에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 변화를 나타내는 도이다. 챔버(6) 내가 수소를 포함하는 분위기로 치환되어, 반도체 웨이퍼(W)가 유지부(7)의 서셉터(74)에 의해 수평 자세로 하방으로부터 유지된 후, 시각 t1에 할로겐 가열부(4)의 40개의 할로겐 램프(HL)가 일제히 점등되어 반도체 웨이퍼(W)의 급속 가열(RTA: Rapid Thermal Annealing)이 개시된다. 할로겐 램프(HL)로부터 출사된 할로겐광은, 석영으로 형성된 하측 챔버창(64) 및 서셉터(74)를 투과하여 반도체 웨이퍼(W)의 이면으로부터 조사된다. 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사를 받음으로써 반도체 웨이퍼(W)가 급속 가열되어 온도가 상승한다. 또한, 이재 기구(10)의 이재 아암(11)은 오목부(62)의 내측으로 퇴피하고 있기 때문에, 할로겐 램프(HL)에 의한 가열의 장해가 되는 일은 없다.
할로겐 램프(HL)에 의한 급속 가열을 행할 때에는, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 방사 온도계(120)에 의해 측정되고 있다. 즉, 서셉터(74)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 이면으로부터 개구부(78)를 통하여 방사된 적외광을 방사 온도계(120)가 수광하여 승온 중의 웨이퍼 온도를 측정한다. 측정된 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사에 의해 승온되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정의 가열 온도 T1(제1 온도)에 도달했는지 여부를 감시하면서, 할로겐 램프(HL)의 출력을 제어한다. 즉, 제어부(3)는, 방사 온도계(120)에 의한 측정치에 의거하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 가열 온도 T1이 되도록 할로겐 램프(HL)의 출력을 피드백 제어한다. 할로겐 램프(HL)에 의한 가열 온도 T1은, 500℃ 이상 800℃ 이하 정도가 된다.
시각 t2에 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 가열 온도 T1에 도달한 후, 제어부(3)는 반도체 웨이퍼(W)를 그 가열 온도 T1로 약 4초 유지한다. 구체적으로는, 방사 온도계(120)에 의해 측정되는 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 가열 온도 T1에 도달한 시각 t2에 제어부(3)가 할로겐 램프(HL)의 출력을 조정하여, 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 거의 가열 온도 T1로 유지하고 있다.
할로겐 램프(HL)에 의한 가열 시에는, 반도체 웨이퍼(W)의 전체가 균일하게 가열 온도 T1로 승온되고 있다. 할로겐 램프(HL)에 의한 급속 가열의 단계에 있어서는, 보다 방열이 생기기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부의 온도가 중앙부보다 저하되는 경향이 있지만, 할로겐 가열부(4)에 있어서의 할로겐 램프(HL)의 설치 밀도는, 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에 대향하는 영역보다 주연부에 대향하는 영역이 높아져 있다. 이 때문에, 방열이 생기기 쉬운 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 조사되는 광량이 많아져, 반도체 웨이퍼(W)의 면내 온도 분포를 균일한 것으로 할 수 있다.
표면에 PSG막(21)이 성막된 반도체 웨이퍼(W)를 수소를 포함하는 분위기 중에서 가열 온도 T1로 약 4초 유지함으로써, PSG막(21)으로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 인이 확산된다. 그 결과, 반도체 웨이퍼(W)의 소스·드레인 영역에 인이 도입되어 도펀트층이 형성되게 된다. 도 11은, 도펀트가 도입된 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 구조를 모식적으로 나타내는 도이다. 수소를 포함하는 분위기 중에서 반도체 웨이퍼(W)를 가열 온도 T1로 1초 이상 유지하면, PSG막(21)에 포함되는 인이 PSG막(21)과 반도체 웨이퍼(W)의 표면의 계면으로부터 당해 표면에 확산되어, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 근방에 도펀트층(22)이 형성된다.
본 실시 형태에 있어서는, 수소를 포함하는 분위기 중에서 반도체 웨이퍼(W)를 가열 온도 T1로 가열하고 있기 때문에, PSG막(21) 중에 있어서의 인의 확산 계수가 높아져 있다. 이 때문에, 할로겐 램프(HL)에 의한 급속 가열에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 가열 온도 T1로 1초 이상 유지함으로써, 효율적으로 인이 PSG막(21)으로부터 반도체 웨이퍼(W)에 확산되게 된다.
시각 t2에 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 가열 온도 T1에 도달하고 나서 약 4초가 경과한 시각 t3에 할로겐 가열부(4)의 40개의 할로겐 램프(HL)가 소등된다. 할로겐 램프(HL)가 소등됨으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 가열 온도 T1로부터 급속히 강온된다. 강온 중의 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 방사 온도계(120)에 의해 측정되고, 그 측정 결과는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 방사 온도계(120)의 측정 결과로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정의 냉각 온도 T3(제3 온도)까지 강온했는지 여부를 감시한다. 또한, 냉각 온도 T3은 가열 온도 T1보다 당연하게 저온이며, 300℃ 이상 400℃ 이하 정도가 된다.
반도체 웨이퍼(W)의 온도가 냉각 온도 T3에까지 강온된 시각 t4에 플래시 가열부(5)의 플래시 램프(FL)로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시광 조사를 행한다. 플래시 램프(FL)가 플래시광 조사를 행할 때에 있어서는, 미리 전원 유닛(95)에 의해 콘덴서(93)에 전하를 축적해 둔다. 그리고, 콘덴서(93)에 전하가 축적된 상태에서, 제어부(3)의 펄스 발생기(31)로부터 IGBT(96)에 펄스 신호를 출력하여 IGBT(96)를 온 오프 구동한다.
펄스 신호의 파형은, 펄스폭의 시간(온 시간)과 펄스 간격의 시간(오프 시간)을 파라미터로서 순차 설정한 레시피를 입력부(33)로부터 입력함으로써 규정할 수 있다. 이러한 레시피를 오퍼레이터가 입력부(33)로부터 제어부(3)에 입력하면, 그에 따라서 제어부(3)의 파형 설정부(32)는 온 오프를 반복하는 펄스 파형을 설정한다. 그리고, 파형 설정부(32)에 의해 설정된 펄스 파형에 따라서 펄스 발생기(31)가 펄스 신호를 출력한다. 그 결과, IGBT(96)의 게이트에는 설정된 파형의 펄스 신호가 인가되어, IGBT(96)의 온 오프 구동이 제어되게 된다. 구체적으로는, IGBT(96)의 게이트에 입력되는 펄스 신호가 온 일 때에는 IGBT(96)가 온 상태가 되고, 펄스 신호가 오프 일 때에는 IGBT(96)가 오프 상태가 된다.
또, 펄스 발생기(31)로부터 출력하는 펄스 신호가 온이 되는 타이밍과 동기하여 제어부(3)가 트리거 회로(97)를 제어하여 트리거 전극(91)에 고전압(트리거 전압)을 인가한다. 콘덴서(93)에 전하가 축적된 상태에서 IGBT(96)의 게이트에 펄스 신호가 입력되고, 또한, 그 펄스 신호가 온이 되는 타이밍과 동기하여 트리거 전극(91)에 고전압이 인가됨으로써, 펄스 신호가 온 일 때에는 유리관(92) 내의 양단 전극 간에서 반드시 전류가 흐르고, 그 때의 크세논의 원자 혹은 분자의 여기에 의해 광이 방출된다.
이와 같이 하여 플래시 가열부(5)의 30개의 플래시 램프(FL)가 발광하고, 유지부(7)에 유지된 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시광이 조사된다. 여기서, IGBT(96)를 사용하지 않고 플래시 램프(FL)를 발광시킨 경우에는, 콘덴서(93)에 축적되어 있던 전하가 1회의 발광으로 소비되어, 플래시 램프(FL)로부터의 출력 파형은 폭이 0.1밀리세컨드 내지 10밀리세컨드 정도의 단순한 싱글 펄스가 된다. 이에 반해, 본 실시의 형태에서는, 회로 중에 스위칭 소자인 IGBT(96)를 접속하고 그 게이트에 펄스 신호를 출력함으로써, 콘덴서(93)로부터 플래시 램프(FL)으로의 전하의 공급을 IGBT(96)에 의해 단속하여 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류를 온 오프 제어하고 있다. 그 결과, 말하자면 플래시 램프(FL)의 발광이 초퍼 제어되게 되어, 콘덴서(93)에 축적된 전하가 분할되어 소비되고, 극히 짧은 시간 동안에 플래시 램프(FL)가 점멸을 반복한다. 또한, 회로를 흐르는 전류치가 완전하게 “0”이 되기 전에 다음의 펄스가 IGBT(96)의 게이트에 인가되어 전류치가 재차 증가하기 때문에, 플래시 램프(FL)가 점멸을 반복하고 있는 동안도 발광 출력이 완전하게 “0”이 되는 것은 아니다.
IGBT(96)에 의해 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류를 온 오프 제어함으로써, 플래시 램프(FL)의 발광 패턴(발광 출력의 시간 파형)을 자유롭게 규정할 수 있고, 발광 시간 및 발광 강도를 자유롭게 조정할 수 있다. IGBT(96)의 온 오프 구동의 패턴은, 입력부(33)로부터 입력하는 펄스폭의 시간과 펄스 간격의 시간에 의해 규정된다. 즉, 플래시 램프(FL)의 구동 회로에 IGBT(96)를 장착함으로써, 입력부(33)로부터 입력하는 펄스폭의 시간과 펄스 간격의 시간을 적당하게 설정하는 것 만으로, 플래시 램프(FL)의 발광 패턴을 자유롭게 규정할 수 있는 것이다.
구체적으로는, 예를 들면, 입력부(33)로부터 입력하는 펄스 간격의 시간에 대한 펄스폭의 시간의 비율을 크게 하면, 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류가 증대하여 발광 강도가 강해진다. 반대로, 입력부(33)로부터 입력하는 펄스 간격의 시간에 대한 펄스폭의 시간의 비율을 작게 하면, 플래시 램프(FL)에 흐르는 전류가 감소하여 발광 강도가 약해진다. 또, 입력부(33)로부터 입력하는 펄스 간격의 시간과 펄스폭의 시간의 비율을 적절히 조정하면, 플래시 램프(FL)의 발광 강도가 일정하게 유지된다. 또한, 입력부(33)로부터 입력하는 펄스폭의 시간과 펄스 간격의 시간을 조합한 총 시간을 길게 함으로써, 플래시 램프(FL)에 비교적 장시간에 걸쳐 전류가 계속 흐르게 되어, 플래시 램프(FL)의 발광 시간이 길어진다. 본 실시 형태에 있어서는, 플래시 램프(FL)의 발광 시간이 0.1밀리세컨드~100밀리세컨드의 사이에서 설정된다.
이와 같이 하여 플래시 램프(FL)로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 0.1밀리세컨드 이상 100밀리세컨드 이하의 조사 시간으로 플래시광이 조사되어 반도체 웨이퍼(W)의 플래시 가열이 행해진다. 조사 시간이 0.1밀리세컨드 이상 100밀리세컨드 이하의 극히 짧고 강한 플래시광이 조사됨으로써 PSG막(21)을 포함하는 반도체 웨이퍼(W)의 표면이 순간적으로 목표 온도 T2(제2 온도)에까지 승온된다. 제1 실시 형태에 있어서는, 플래시 가열 시의 목표 온도 T2는, 할로겐 램프(HL)에 의한 급속 가열 시의 가열 온도 T1보다 저온이며, 냉각 온도 T3보다는 고온이다.
수소를 포함하는 분위기 중에서 반도체 웨이퍼(W)에 0.1밀리세컨드 이상 100밀리세컨드 이하의 조사 시간으로 플래시광을 조사하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면을 목표 온도 T2로 순간적으로 가열함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 소스·드레인 영역에 형성된 도펀트층(22) 중의 인이 활성화된다. 또, 수소를 포함하는 분위기 중에서 반도체 웨이퍼(W)를 목표 온도 T2로 가열함으로써, 플래시 가열 시에도 PSG막(21)으로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 인이 약간 확산된다.
플래시 가열에서는, 플래시광의 조사 시간이 1초 미만의 극히 단시간이기 때문에, 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도는 순간적으로 목표 온도 T2에까지 승온된 후, 즉시 급속히 강온된다. 강온 중의 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 방사 온도계(120)에 의해 측정되고, 그 측정 결과는 제어부(3)에 전달된다. 제어부(3)는, 방사 온도계(120)의 측정 결과로부터 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 온도까지 강온되었는지 여부를 감시한다. 또, 플래시 가열 종료 후는, 챔버(6) 내에 질소 가스 만이 공급되어 열처리 공간(65)이 질소 분위기로 치환된다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 소정 이하에까지 강온된 후, 이재 기구(10)의 한 쌍의 이재 아암(11)이 다시 퇴피 위치로부터 이재 동작 위치로 수평 이동하여 상승함으로써, 리프트 핀(12)이 서셉터(74)의 상면으로부터 돌출되어 열처리 후의 반도체 웨이퍼(W)를 서셉터(74)로부터 받는다. 계속해서, 게이트 밸브(185)에 의해 폐쇄되어 있던 반송 개구부(66)가 개방되고, 리프트 핀(12) 상에 재치된 반도체 웨이퍼(W)가 장치 외부의 반송 로봇에 의해 반출되어, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 가열 처리가 완료된다. 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 열처리가 종료된 후, PSG막(21)을 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로부터 박리하도록 해도 된다.
제1 실시 형태에 있어서는, 표면에 PSG막(21)이 성막된 반도체 웨이퍼(W)를 수소를 포함하는 분위기 중에서 가열 온도 T1로 1초 이상 유지하여 PSG막(21)으로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 도펀트를 확산시키고, 또한 그 반도체 웨이퍼(W)에 1초 미만의 조사 시간으로 플래시광을 조사하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면을 목표 온도 T2로 가열하여 도펀트를 활성화시키고 있다. 수소를 포함하는 분위기 중에서 PSG막(21)이 승온되면 PSG막(21)에 포함되는 도펀트의 확산 계수가 높아지기 때문에, PSG막(21)으로부터 반도체 웨이퍼(W)에 효율적으로 도펀트를 확산시켜 활성화시킬 수 있다.
또, 제1 실시 형태에 있어서는, 할로겐 램프(HL)에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 가열 온도 T1로 약 4초 유지한 후, 할로겐 램프(HL)가 소등되어 플래시광 조사 전에 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 일단 냉각 온도 T3에까지 강온시키고 있다. 그 결과, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 프로세스 전체의 열용량이 작은 것이 되어, 플래시광 조사 시에 반도체 웨이퍼(W)에 도펀트가 과잉하게 확산되는 것을 방지할 수 있다.
＜제2 실시 형태＞
다음에, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서 설명한다. 제2 실시 형태의 열처리 장치(1)의 전체 구성은 제1 실시 형태와 동일하다. 또, 제2 실시 형태의 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서도 제1 실시 형태와 대체로 동일하다. 제2 실시 형태가 제1 실시 형태와 상이한 것은, 할로겐 램프(HL)에 의한 가열 온도 T1과 플래시광 조사 시의 목표 온도 T2의 고저 관계이다.
도 12는, 제2 실시 형태에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 변화를 나타내는 도이다. 제1 실시 형태와 마찬가지로, 시각 t1에 40개의 할로겐 램프(HL)가 점등되어 반도체 웨이퍼(W)의 급속 가열이 개시된다. 시각 t2에 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 가열 온도 T1에 도달한 후, 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 가열 온도 T1로 약 4초 유지된다. 수소를 포함하는 분위기 중에서 PSG막(21)이 성막된 반도체 웨이퍼(W)를 가열 온도 T1로 1초 이상 유지함으로써, PSG막(21)으로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 인이 확산된다.
계속해서, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 가열 온도 T1에 도달하고 나서 약 4초가 경과한 시각 t3에 40개의 할로겐 램프(HL)가 소등되어, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 가열 온도 T1로부터 급속히 강온된다. 그리고, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 냉각 온도 T3에까지 강온된 시각 t4에 플래시 가열부(5)의 플래시 램프(FL)로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시광 조사를 행한다. 플래시 램프(FL)로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 0.1밀리세컨드 이상 100밀리세컨드 이하의 조사 시간으로 플래시광을 조사함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 표면이 순간적으로 목표 온도 T2에까지 승온된다. 제2 실시 형태에 있어서는, 제1 실시 형태보다 플래시 램프(FL)의 발광 강도가 강하고, 플래시 가열 시의 목표 온도 T2는, 할로겐 램프(HL)에 의한 급속 가열 시의 가열 온도 T1보다 고온이다. 수소를 포함하는 분위기 중에서 반도체 웨이퍼(W)에 1초 미만의 조사 시간으로 플래시광을 조사하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면을 목표 온도 T2로 순간적으로 가열함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 확산된 인이 활성화된다.
제2 실시 형태에 있어서도, 표면에 PSG막(21)이 성막된 반도체 웨이퍼(W)를 수소를 포함하는 분위기 중에서 가열 온도 T1로 1초 이상 유지하여 PSG막(21)으로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 도펀트를 확산시키고, 또한 그 반도체 웨이퍼(W)에 1초 미만의 조사 시간으로 플래시광을 조사하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면을 목표 온도 T2로 가열하여 도펀트를 활성화시키고 있다. 이 때문에, 제1 실시 형태와 마찬가지로, PSG막(21)으로부터 반도체 웨이퍼(W)에 효율적으로 도펀트를 확산시켜 활성화시킬 수 있다.
또, 할로겐 램프(HL)에 의해 반도체 웨이퍼(W)를 가열 온도 T1로 약 4초 유지한 후, 할로겐 램프(HL)가 소등되어 플래시광 조사 전에 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 일단 냉각 온도 T3에까지 강온시키고 있다. 이 때문에, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 프로세스 전체의 열용량은 작은 것이 되어, 플래시광 조사 시에 반도체 웨이퍼(W)에 도펀트가 과잉하게 확산되는 것을 방지할 수 있다.
＜제3 실시 형태＞
다음에, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해서 설명한다. 제3 실시 형태의 열처리 장치(1)의 전체 구성은 제1 실시 형태와 동일하다. 또, 제3 실시 형태의 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 순서도 제1 실시 형태와 대체로 동일하다. 제3 실시 형태가 제1 실시 형태와 상이한 것은, 플래시광 조사 전에 반도체 웨이퍼(W)를 강온시키지 않는 점이다.
도 13은, 제3 실시 형태에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 표면 온도의 변화를 나타내는 도이다. 제1 실시 형태와 마찬가지로, 시각 t1에 40개의 할로겐 램프(HL)가 점등되어 반도체 웨이퍼(W)의 급속 가열이 개시된다. 시각 t2에 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 가열 온도 T1에 도달한 후, 할로겐 램프(HL)로부터의 광조사에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 온도는 가열 온도 T1로 약 4초 유지된다. 수소를 포함하는 분위기 중에서 PSG막(21)이 성막된 반도체 웨이퍼(W)를 가열 온도 T1로 1초 이상 유지함으로써, PSG막(21)으로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 인이 확산된다.
계속해서, 제3 실시 형태에 있어서는, 반도체 웨이퍼(W)의 온도가 가열 온도 T1에 도달하고 나서 약 4초가 경과한 시각 t4에 할로겐 램프(HL)가 소등됨과 함께, 플래시 가열부(5)의 플래시 램프(FL)로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 플래시광 조사를 행한다. 플래시 램프(FL)로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 0.1밀리세컨드 이상 100밀리세컨드 이하의 조사 시간으로 플래시광을 조사함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 표면이 순간적으로 목표 온도 T2에까지 승온된다. 즉, 제3 실시 형태에서는, 플래시광 조사 전에 반도체 웨이퍼(W)를 강온시키고 있지 않고, 반도체 웨이퍼(W)의 표면을 가열 온도 T1로부터 직접 목표 온도 T2에까지 승온시키고 있다. 수소를 포함하는 분위기 중에서 반도체 웨이퍼(W)에 1초 미만의 조사 시간으로 플래시광을 조사하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면을 목표 온도 T2로 순간적으로 가열함으로써, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 확산된 인이 활성화된다.
제3 실시 형태에 있어서도, 표면에 PSG막(21)이 성막된 반도체 웨이퍼(W)를 수소를 포함하는 분위기 중에서 가열 온도 T1로 1초 이상 유지하여 PSG막(21)으로부터 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 도펀트를 확산시키고, 또한 그 반도체 웨이퍼(W)에 1초 미만의 조사 시간으로 플래시광을 조사하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면을 목표 온도 T2로 가열하여 도펀트를 활성화시키고 있다. 이 때문에, 제1 실시 형태와 마찬가지로, PSG막(21)으로부터 반도체 웨이퍼(W)에 효율적으로 도펀트를 확산시켜 활성화시킬 수 있다.
또, 제3 실시 형태에 있어서는, 플래시광 조사 전에 반도체 웨이퍼(W)를 강온시키고 있지 않기 때문에, 열처리 장치(1)에 있어서의 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 프로세스 전체의 처리 시간을 짧게 할 수 있다.
＜변형예＞
이상, 본 발명의 실시의 형태에 대해서 설명했지만, 이 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 한에 있어서 상술한 것 이외에 다양한 변경을 행하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 각 실시 형태에 있어서는, 도펀트를 포함하는 이산화규소의 막으로서 PSG막(21)을 성막하고 있었지만, 이 대신에, 도펀트로서의 붕소(B)를 포함하는 BSG(Boron Silicate Glass)막을 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 성막하도록 해도 된다.
또, 반도체 웨이퍼(W)의 열처리 패턴은 제1 실시 형태로부터 제3 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 수소를 포함하는 분위기 중에서 반도체 웨이퍼(W)를 가열 온도 T1로 1초 이상 유지한 후, 또한 그 반도체 웨이퍼(W)에 1초 미만의 조사 시간으로 플래시광을 조사하여 반도체 웨이퍼(W)의 표면을 목표 온도 T2로 가열하는 패턴이면 된다.
또, 수소를 포함하는 분위기는, 질소 가스에 수소 가스를 혼합한 혼합 가스의 분위기에 한정되는 것이 아니라, 수소 가스와 그 외의 가스의 혼합 가스의 분위기여도 되고, 혹은 순수소의 분위기여도 된다. 또한, 수소를 포함하는 분위기는, 적어도 수소 원자를 포함하고 있는 분위기이면 되고, 예를 들면 암모니아 가스(NH3)를 포함하는 분위기여도 된다.
또, 상기 각 실시 형태에 있어서는, 처리 대상이 되는 반도체 기판이 게르마늄의 반도체 웨이퍼(W)였지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 처리 대상이 되는 반도체 기판은 실리콘(Si) 또는 실리콘 게르마늄(SiGe)의 반도체 웨이퍼(W)여도 된다.
또, 상기 각 실시 형태에 있어서는, 플래시 가열부(5)에 30개의 플래시 램프(FL)를 구비하도록 하고 있었지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 플래시 램프(FL)의 갯수는 임의의 수라고 할 수 있다. 또, 플래시 램프(FL)는 크세논 플래시 램프에 한정되는 것이 아니라, 크립톤 플래시 램프여도 된다. 또, 할로겐 가열부(4)에 구비하는 할로겐 램프(HL)의 갯수도 40개에 한정되는 것이 아니라, 임의의 수라고 할 수 있다.
또, 상기 각 실시 형태에 있어서는, 1초 이상 연속하여 발광하는 연속 점등 램프로서 필라멘트형의 할로겐 램프(HL)에 의해, 반도체 웨이퍼(W)를 가열 온도 T1까지 가열하고, 그 가열 온도 T1로 약 4초 유지하도록 하고 있었지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 할로겐 램프(HL) 대신에 동일한 연속 점등 램프로서 방전형의 크세논 아크 램프 등의 아크 램프를 이용하여, 반도체 웨이퍼(W)를 동일하게 가열하도록 해도 된다.
1 열처리 장치 3 제어부
4 할로겐 가열부 5 플래시 가열부
6 챔버 7 유지부
21 PSG막 22 도펀트층
65 열처리 공간 74 서셉터
75 유지 플레이트 77 기판 지지핀
93 콘덴서 95 전원 유닛
96 IGBT 120 방사 온도계
FL 플래시 램프 HL 할로겐 램프
W 반도체 웨이퍼

Claims (7)

  1. 반도체 기판에 도펀트를 도입하여 활성화시키는 도펀트 도입 방법으로서,
    반도체 기판의 표면에 도펀트를 포함하는 이산화규소의 막을 형성하는 성막 공정과,
    수소를 포함하는 분위기 중에서 상기 반도체 기판을 제1 온도로 1초 이상 유지하여 상기 도펀트를 포함하는 이산화규소의 막으로부터 상기 반도체 기판의 표면에 상기 도펀트를 확산시키는 제1 가열 공정과,
    상기 수소를 포함하는 분위기 중에서 상기 반도체 기판에 1초 미만의 조사 시간으로 플래시광을 조사하여 상기 반도체 기판의 표면을 제2 온도로 가열하여 상기 도펀트를 활성화시키는 제2 가열 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 도펀트 도입 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 가열 공정 후, 상기 반도체 기판을 상기 제1 온도보다 낮은 제3 온도로 냉각한 후에 상기 제2 가열 공정을 실행하는 것을 특징으로 하는 도펀트 도입 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 저온인 것을 특징으로 하는 도펀트 도입 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 고온인 것을 특징으로 하는 도펀트 도입 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 도펀트를 포함하는 이산화규소의 막은 PSG막 또는 BSG막인 것을 특징으로 하는 도펀트 도입 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소를 포함하는 분위기는, 질소 가스에 수소 가스를 혼합한 혼합 가스의 분위기인 것을 특징으로 하는 도펀트 도입 방법.
  7. 그 표면에 도펀트를 포함하는 이산화규소의 막이 성막된 반도체 기판을 수소를 포함하는 분위기 중에서, 제1 온도로 1초 이상 유지하여 상기 이산화규소의 막으로부터 상기 반도체 기판의 표면에 상기 도펀트를 확산시키는 제1 가열 공정과,
    상기 수소를 포함하는 분위기 중에서 상기 반도체 기판에 1초 미만의 조사 시간으로 플래시광을 조사하여 상기 반도체 기판의 표면을 제2 온도로 가열하여 상기 도펀트를 활성화시키는 제2 가열 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
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