TW201316413A - 熱處理方法及熱處理裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種可抑制閃光加熱處理時之薄膜之過度加熱之熱處理方法及熱處理裝置。將於表面形成有二氧化矽基材,進而於其上形成有非晶矽薄膜之半導體晶圓W搬入至腔室6內。於對閃光燈FL之電力供給電路連接有絕緣閘雙極性電晶體(IGBT),藉由該IGBT而使向閃光燈FL之通電時間為0.01毫秒以上且1毫秒以下,藉此使閃光照射時間為0.01毫秒以上且1毫秒以下。因以顯著短之閃光照射時間進行閃光加熱處理,故而可抑制非晶矽薄膜被過度地加熱,從而可防止該薄膜剝離等弊端。

Description

熱處理方法及熱處理裝置
本發明係關於一種進行於包含半導體晶圓或液晶顯示裝置用玻璃基板等之基材上由與該基材不同之材質形成之薄膜之加熱處理之熱處理方法及熱處理裝置。
於半導體器件之製造製程中,雜質導入為用以於半導體晶圓內形成pn接面之必需步驟。目前,雜質導入一般藉由離子植入法與其後之退火法而實現。離子植入法係使硼(B)、砷(As)、磷(P)等雜質元素離子化並以高加速電壓使其與半導體晶圓碰撞而物理性地進行雜質注入之技術。注入之雜質藉由退火處理而活化。此時,若退火時間為數秒程度以上,則所植入之雜質藉由熱量而向深處擴散,其結果,存在接合深度較要求變得過深而妨礙形成良好之器件之虞。
因此,作為以極短時間加熱半導體晶圓之退火技術,近年來閃光燈退火(FLA,Flash Lamp Anneal)備受關注。閃光燈退火係如下之熱處理技術:使用氙氣閃光燈(以下於僅稱作「閃光燈」時係指氙氣閃光燈)對半導體晶圓之表面照射閃光,藉此僅使注入有雜質之半導體晶圓之表面於極短時間(數毫秒以下)升溫。
氙氣閃光燈之輻射分光分佈為自紫外線區至近紅外線區,波長短於先前之鹵素燈,與矽半導體晶圓之基礎吸收帶大致一致。因此,於自氙氣閃光燈對半導體晶圓照射閃 光時,透過光較少而可使半導體晶圓急速地升溫。又,亦判明若為數毫秒程度之極短時間之閃光照射,則可選擇性地僅使半導體晶圓之表面附近升溫。因此,若為利用氙氣閃光燈之極短時間之升溫,則可僅進行雜質活化而不使雜質向深處擴散。
作為使用此種氙氣閃光燈之熱處理裝置,於專利文獻1中揭示有如下裝置:將半導體晶圓載置於加熱板上並對其預加熱至特定溫度為止,其後藉由來自閃光燈之閃光照射而升溫至所需之處理溫度為止。又,亦嘗試藉由閃光照射而對形成於半導體晶圓之表面之膜進行加熱處理,於專利文獻2中揭示有對顯影處理後之抗蝕膜進行閃光照射而改善邊緣粗糙度之情況。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2007-5532號公報
[專利文獻2]日本專利特開2001-332484號公報
於專利文獻2所揭示之技術中,於矽半導體晶圓上形成有抗蝕膜,並對該抗蝕膜進行閃光加熱處理。又,亦嘗試於二氧化矽(SiO2)基材上形成非晶矽(非晶質矽)或多晶矽(多結晶矽)薄膜,並對該薄膜進行閃光加熱處理而促進其結晶化之處理。
如此,於進行在基材上由與該基材不同之材質形成之薄 膜,尤其是形成於如二氧化矽般熱導率較小之基材上之矽薄膜之閃光加熱處理之情形時,不易發生自薄膜向基材之熱傳導。因此,即便為數毫秒程度之極短時間之閃光照射,亦存在薄膜被過度加熱而發生膜之剝離、或於薄膜本身發生熱損傷之情況。
本發明係鑒於上述課題而完成者,其目的在於提供一種可抑制閃光加熱處理時之薄膜之過度加熱之熱處理方法及熱處理裝置。
為了解決上述課題,請求項1之發明之特徵在於,其係進行於基材上由與該基材不同之材質形成之薄膜之加熱處理的熱處理方法,且包括:收容步驟,將形成有薄膜之基材收容並保持於腔室內;及閃光照射步驟,對上述薄膜以0.01毫秒以上且1毫秒以下之照射時間照射閃光而加熱上述薄膜。
又,請求項2之發明之特徵在於,其係如請求項1之發明之熱處理方法,且包括:排氣步驟,自上述腔室進行排氣;及氣體供給步驟,對上述腔室內供給處理氣體。
又,請求項3之發明之特徵在於,其係如請求項2之發明之熱處理方法,其中於上述氣體供給步驟中,對上述腔室內供給混合有與上述薄膜反應之反應性氣體與惰性氣體之混合氣體;且包括:濃度測定步驟,測定上述腔室內之混合氣體中之反應性氣體之濃度;及濃度調整步驟,基於上述濃度測定步驟中之測定結果而調整反應性氣體及惰性氣 體之至少任一者之流量,從而調整混合氣體中之反應性氣體之濃度
又,請求項4之發明之特徵在於,其係如請求項1之發明之熱處理方法,其中於上述閃光照射步驟中,對形成於二氧化矽基材上之非晶矽或多晶矽之薄膜加熱而促進該薄膜之結晶化。
又,請求項5之發明之特徵在於,其係如請求項3之發明之熱處理方法,其中於上述閃光照射步驟中,對藉由原子層沈積法而形成於矽基材上之高介電係數膜之薄膜加熱而賦予其結晶性。
又,請求項6之發明之特徵在於,其係如請求項5之發明之熱處理方法,其中於上述高介電係數膜之膜厚小於特定值時,對上述腔室內供給於氮氣中混合有氦氣或氬氣之混合氣體,而於上述高介電係數膜之膜厚大於特定值時,對上述腔室內供給於氧氣中混合有氮氣之混合氣體。
又,請求項7之發明之特徵在於,其係進行於基材上由與該基材不同之材質形成之薄膜之加熱處理的熱處理裝置,且包括:腔室,其收容形成有薄膜之基材;保持機構,其將上述基材保持於上述腔室內;閃光燈,其對保持於上述保持機構之上述基材照射閃光;及發光控制機構,其使上述閃光燈之閃光照射時間為0.01毫秒以上且1毫秒以下。
又,請求項8之發明之特徵在於,其係如請求項7之發明之熱處理裝置,其中上述發光控制機構包含使對上述閃光 燈之通電時間為0.01毫秒以上且1毫秒以下之絕緣閘雙極性電晶體。
又,請求項9之發明之特徵在於,其係如請求項7或請求項8之熱處理裝置,其中包含:氣體供給機構,其對上述腔室內供給處理氣體;及排氣機構,其自上述腔室進行排氣。
又,請求項10之發明之特徵在於,其係如請求項9之發明之熱處理裝置,其中上述氣體供給機構對上述腔室內供給混合有與上述薄膜反應之反應性氣體與惰性氣體之混合氣體;且進而包括:濃度測定機構,其係測定上述腔室內之混合氣體中之反應性氣體之濃度;及濃度調整機構,其係基於上述濃度測定機構之測定結果而調整反應性氣體及惰性氣體之至少任一者之流量,從而調整混合氣體中之反應性氣體之濃度。
根據請求項1至請求項6之發明,因以0.01毫秒以上且1毫秒以下之照射時間對於基材上由與該基材不同之材質形成之薄膜照射閃光,故而閃光照射時間極短,可抑制閃光加熱處理時之薄膜之過度加熱。
又,根據請求項7至請求項10之發明,因將進行於基材上由與該基材不同之材質形成之薄膜之加熱處理時的閃光燈之閃光照射時間設為0.01毫秒以上且1毫秒以下,故而閃光照射時間極短,可抑制閃光加熱處理時之薄膜之過度加熱。
以下,參照圖式詳細說明本發明實施形態。
<第1實施形態>
圖1係表示本發明之熱處理裝置1之主要部分構成之圖。該熱處理裝置1係對於二氧化矽(SiO2)膜上形成有非晶矽薄膜者照射閃光而進行該薄膜之加熱處理之閃光燈退火裝置,且該二氧化矽膜形成於大致圓形之半導體晶圓W之表面。於圖1及以下之各圖中,為了易於理解,視需要而將各部分之尺寸或數量誇大或簡化描述。
熱處理裝置1作為主要構成而包括:腔室6,其收容半導體晶圓W且為大致圓筒形狀;保持板7,其於腔室6內保持半導體晶圓W;閃光照射部5,其對腔室6內之半導體晶圓W照射閃光;氣體供給部8,其對腔室6內供給處理氣體;及排氣部9,其自腔室6進行排氣。又,熱處理裝置1包括控制該等各部分而使之進行薄膜焙燒處理之控制部3。
腔室6係設置於閃光照射部5之下方,且包含具有大致圓筒狀之內壁之腔室側部63及覆蓋腔室側部63之下部之腔室底部62。又,由腔室側部63及腔室底部62包圍之空間被規定作為熱處理空間65。於腔室6之上部開口安裝有腔室窗61而堵塞該開口。
構成腔室6之頂部之腔室窗61係由石英形成之圓板形狀構件,並作為使自閃光照射部5出射之閃光透過至熱處理空間65之石英窗而發揮作用。構成腔室6之本體之腔室底部62及腔室側部63例如由不鏽鋼等強度與耐熱性優異之金屬材料形成。
又,為了維持熱處理空間65之氣密性,腔室窗61與腔室側部63係藉由省略圖示之O形環而密封。即,於腔室窗61之下表面周緣部與腔室側部63之間夾入O形環而防止氣體自該等間隙流入流出。
於腔室側部63設置有用以進行半導體晶圓W之搬入及搬出之搬送開口部66。搬送開口部66可藉由省略圖示之閘閥而開閉。若搬送開口部66敞開,則可藉由未圖示之搬送機械手而對腔室6搬入及搬出半導體晶圓W。又,若搬送開口部66封閉,則熱處理空間65成為與外部之通氣被隔斷之密閉空間。
保持板7係金屬製(例如鋁)之大致圓板形狀之構件,其於腔室6內載置半導體晶圓W並將該半導體晶圓W保持於水平姿勢(主面之法線方向沿鉛垂方向之姿勢)。圖2係表示保持板7之構成之剖面圖。保持板7內置有加熱器71及水冷管72。加熱器71包含鎳鉻合金線等電阻加熱線,並接受自未圖示之電力供給源之電力供給而發熱,從而對保持板7加熱。水冷管72藉由使自未圖示之冷卻水供給源所供給之冷卻水流動而冷卻保持板7。
加熱器71及水冷管72均以環繞之方式設置於保持板7之內部。加熱器71及水冷管72至少於保持板7中之與所載置之半導體晶圓W對向之區域以均勻之配設密度設置。因此,加熱器71及水冷管72分別可對該區域均勻地加熱及冷卻。對加熱器71之電力供給量及對水冷管72之冷卻水供給量藉由控制部3控制。
又,於保持板7之內部配設有使用熱電偶構成之溫度感測器73。溫度感測器73係測定保持板7之上表面附近之溫度。溫度感測器73之測定結果傳達至控制部3。再者,溫度感測器73亦可於與保持板7所載置之半導體晶圓W對向之區域設置有複數個。
於保持板7之上表面配設有包含氧化鋁(Al2O3)等構件之複數個(本實施形態中為3個)近接球75。3個近接球75係以其上端自保持板7之上表面僅微量突出之狀態而配設。因此,於藉由3個近接球75而支撐半導體晶圓W時,於半導體晶圓W之背面與保持板7之上表面之間形成有稱作所謂之近接間隙之微小間隔。再者,亦可於保持板7之上表面設置晶座,並藉由該晶座而支撐半導體晶圓W。
隔著3個近接球75而載置於保持板7上之半導體晶圓W係藉由加熱器71及水冷管72而被調溫至特定溫度。即,加熱器71對保持於保持板7上之半導體晶圓W進行加熱,且水冷管72冷卻該半導體晶圓W,其結果,半導體晶圓W被調溫至特定溫度。
於對保持於保持板7上之半導體晶圓W調溫時,以使藉由溫度感測器73而測量之保持板7之溫度成為預先設定之特定溫度之方式,藉由控制部3而控制對加熱器71之電力供給量及對水冷管72之冷卻水供給量。即,利用控制部3所進行之保持板7之溫度控制為反饋控制,更具體而言為藉由PID(Proportional Integral Derivative,比例積分微分)控制而進行。
於本實施形態中,因將作為加熱機構之加熱器71及作為冷卻機構之水冷管72之兩者設置於保持板7,故而可藉由該等之協作而將保持於保持板7上之半導體晶圓W調溫至自室溫至500℃左右為止之較廣範圍的溫度。
返回圖1,於保持板7設置有出沒於其上表面之複數根(本實施形態中為3根)頂起銷77。3根頂起銷77之上端高度位置包含於同一水平面內。3根頂起銷77藉由氣缸78而一起沿鉛垂方向升降。各頂起銷77係沿上下貫通於保持板7而設置之插通孔之內側而升降。若氣缸78使3根頂起銷77上升,則各頂起銷77之頂端自保持板7之上表面突出。又,若氣缸78使3根頂起銷77下降,則各頂起銷77之頂端沒入保持板7之插通孔之內部。
於熱處理空間65的上部且腔室窗61之正下方設置有噴出板68。圖3係噴出板68之平面圖。噴出板68為由石英形成之圓板形狀構件,且以與保持於保持板7上之半導體晶圓W之表面對向之方式而設置為水平姿勢。如圖3所示,於噴出板68穿設有多個噴出孔69。具體而言,至少於與保持於保持板7之半導體晶圓W之表面對向的噴出板68之區域以均勻密度而穿設有複數個噴出孔69。
氣體供給部8對形成於腔室窗61與噴出板68之間之儲氣空間67供給處理氣體。本實施形態之氣體供給部8包含惰性氣體供給部81、反應性氣體供給部84及清潔氣體供給部87。惰性氣體供給部81具有惰性氣體供給源82、閥門83及流量調整閥183,且藉由敞開閥門83而對儲氣空間67供給 惰性氣體。由惰性氣體供給部81所供給之惰性氣體之流量係藉由流量調整閥183而調整。
又,反應性氣體供給部84具有反應性氣體供給源85、閥門86及流量調整閥186,且藉由敞開閥門86而對儲氣空間67供給反應性氣體。由反應性氣體供給部84所供給之反應性氣體之流量係藉由流量調整閥186而調整。
同樣地,清潔氣體供給部87具有清潔氣體供給源88、閥門89及流量調整閥189,且藉由敞開閥門89而對儲氣空間67供給清潔氣體。由清潔氣體供給部87所供給之清潔氣體之流量係藉由流量調整閥189而調整。再者,作為惰性氣體供給源82、反應性氣體供給源85、清潔氣體供給源88,可包含設置於熱處理裝置1內之儲氣罐與送氣泵,亦可使用設置有熱處理裝置1之工廠之設備。
氣體供給部8可藉由敞開3個閥門83、86、89中之2個以上而對腔室6之儲氣空間67供給混合氣體。例如,氣體供給部8可藉由敞開閥門83及閥門86之兩者而對腔室6內供給混合有反應性氣體與惰性氣體之混合氣體。
此處,「惰性氣體」係缺乏與薄膜及半導體晶圓W之材質(本實施形態中為矽)之反應性的氣體,其為氮氣(N2)、氬氣(Ar)或氦氣(He)等。「反應性氣體」係富有與形成於基材上之薄膜之反應性之氣體,除氧氣(O2)、氫氣(H2)、氯氣(Cl2)、水蒸氣(H2O)、氯化氫(HCl)、臭氧(O3)、氨氣(NH3)等以外,溴(Br)系化合物氣體或氟(F)系化合物氣體符合其。其中,根據熱處理裝置1之熱處理之目的,氮氣不僅 可作為惰性氣體,亦可作為反應性氣體。
又,「清潔氣體」係與附著於如下所述之腔室6內之污染物質反應之氣體,氧氣(O2)、氫氣(H2)、氯氣(Cl2)、水蒸氣(H2O)、氯化氫(HCl)、臭氧(O3)、氟(F)系化合物氣體等符合其。於本說明書中,將該等惰性氣體、反應性氣體及清潔氣體總稱為用於處理之「處理氣體」。再者,反應性氣體與清潔氣體含有共用之氣體種,亦可兼用反應性氣體供給部84與清潔氣體供給部87。
自氣體供給部8供給至儲氣空間67之處理氣體自穿設於噴出板68之複數個噴出孔69向下方噴出。此時,因儲氣空間67中之流體之通過阻力小於噴出孔69之通過阻力,故而自氣體供給部8所供給之處理氣體能以短暫地於儲氣空間67內擴散之方式流動之後,自複數個噴出孔69均勻地噴出。又,複數個噴出孔69以均勻密度設置於與保持於保持板7上之半導體晶圓W對向之區域。因此,可自噴出板68對保持於保持板7上之半導體晶圓W之整個表面均勻地噴附處理氣體。
排氣部9具有排氣裝置191及閥門192,且藉由敞開閥門192而自排氣口193排出腔室6內之環境氣體。排氣口193係以圍繞保持板7之方式而形成於腔室側部63之狹縫。且形成有排氣口193之高度位置為與保持於保持板7上之半導體晶圓W相同之高度位置以下,較佳為較半導體晶圓W略偏下方。排氣部9自以圍繞保持板7之方式而形成之狹縫狀的排氣口193進行排氣,藉此,可自保持於保持板7上之半導 體晶圓W之周圍均勻地進行氣體之排出。
可使用真空泵或設置有熱處理裝置1之工廠之排氣設備作為排氣裝置191。若採用真空泵作為排氣裝置191,不自氣體供給部8供給處理氣體而對作為密閉空間之熱處理空間65之氣體環境進行排氣,則可將腔室6內減壓至真空氣體環境。又,即便於不使用真空泵作為排氣裝置191之情形時,亦可不自氣體供給部8供給處理氣體而進行排氣,藉此可將腔室6內減壓至低於大氣壓之氣壓。
又,於熱處理裝置1之腔室6內設置有濃度感測器180。濃度感測器180係於對腔室6內供給有惰性氣體與反應性氣體之混合氣體時,測定熱處理空間65內之混合氣體中之反應性氣體之濃度。
閃光照射部5係設置於腔室6之上方。閃光照射部5具有包含複數根(本實施形態中為30根,但圖1中為圖示方便起見僅記載9根)閃光燈FL之光源、及以覆蓋該光源上方之方式而設置之反射器52。閃光照射部5經由石英之腔室窗61及噴出板68而對腔室6內保持於保持板7上之半導體晶圓W自閃光燈FL照射閃光。
複數個閃光燈FL分別為具有長條圓筒形狀之棒狀燈,且以各自之長度方向沿保持於保持板7上之半導體晶圓W之主面(即,沿水平方向)而互相平行的方式而排列成平面狀。因此,藉由閃光燈FL之排列而形成之平面亦為水平面。
圖4係表示閃光燈FL之驅動電路之圖。如該圖所示,電 容器93、線圈94、閃光燈FL及IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣閘雙極性電晶體)96係串聯地連接。又,如圖4所示,控制部3具有脈衝產生器31及波形設定部32,並且與輸入部33連接。作為輸入部33可採用鍵盤、滑鼠、觸控面板等各種公知之輸入機器。波形設定部32基於來自輸入部33之輸入內容而設定脈衝信號之波形,且脈衝產生器31根據其波形而產生脈衝信號。
本實施形態中,使用氙氣閃光燈作為閃光燈FL。閃光燈FL具有於其內部封入有氙氣體、且於其兩端部配設有陽極及陰極之棒狀玻璃管(放電管)92、以及附設於該玻璃管92之外周面上之觸發電極91。對電容器93藉由電源單元95施加特定之電壓而充電與該施加電壓(充電電壓)對應之電荷。又,亦可自觸發電路97對觸發電極91施加高電壓。觸發電路97對觸發電極91施加電壓之時點係藉由控制部3而控制。
IGBT96係於閘極部組入有MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor,金屬氧氣化物半導體場效應電晶體)之雙極電晶體,且係適合於處理大功率之開關器件。來自控制部3之脈衝產生器31對IGBT96之閘極施加脈衝信號。若對IGBT96之閘極施加特定值以上之電壓(高電壓),則IGBT96成為接通狀態,若施加未達特定值之電壓(低電壓),則IGBT96成為斷開狀態。如此,包含閃光燈FL之驅動電路係藉由IGBT96而接通斷開。藉由IGBT96接通斷開而使閃光燈FL與所對應之電容器93之連 接通斷。
即便於電容器93充電之狀態下IGBT96成為接通狀態而對玻璃管92之兩端電極施加高電壓,因氙氣體於電性上為絕緣體,故而於正常狀態下電不流過玻璃管92內。然而,於觸發電路97對觸發電極91施加高電壓而擊穿絕緣之情形時,藉由兩端電極之間之放電而使電流瞬間流過玻璃管92內,藉由此時之氙原子或分子之激發而放出光。
又,反射器52於複數個閃光燈FL之上方以覆蓋其等整體之方式而設置。反射器52之基本功能係將自複數個閃光燈FL出射之閃光反射至保持板7側。反射器52係由鋁合金板形成,且其表面(面向閃光燈FL側之面)藉由噴射處理施加粗面化加工而呈緞光加工面式樣。
控制部3係控制設置於熱處理裝置1之上述各種動作機構。作為控制部3之硬體之構成與普通電腦相同。即,控制部3包含:CPU(central processing unit,中央處理單元),其進行各種運算處理;ROM(read only memory,唯讀記憶體),其作為記憶基本程式之讀出專用記憶體;RAM(random access memory,隨機存取記憶體),其作為記憶各種資訊之讀寫自如之記憶體;及磁盤,其預先記憶有控制用軟體或資料等。控制部3之CPU藉由執行特定之處理程式而進行熱處理裝置1之處理。又,如圖4所示,控制部3具有脈衝產生器31及波形設定部32。如上所述,波形設定部32基於來自輸入部33之輸入內容而設定脈衝信號之波形,藉此,脈衝產生器31對IGBT96之閘極輸出脈衝 信號。
其次,說明具有上述構成之熱處理裝置1中之半導體晶圓W之處理順序。圖5係表示熱處理裝置1中之半導體晶圓W之處理順序的流程圖。以下所說明之熱處理裝置1之處理順序係藉由控制部3控制熱處理裝置1之各動作機構而進行。
首先,打開省略圖示之閘閥而使搬送開口部66敞開,藉由裝置外部之搬送機械手而經由搬送開口部66將成為處理對象之半導體晶圓W搬入至腔室6內(步驟S1)。圖6係表示成為處理對象之半導體晶圓W之剖面結構圖。於第1實施形態中成為處理對象之半導體晶圓W中,於矽基板101之表面形成有二氧化矽基材102,且於該基材102上形成有非晶矽薄膜103。即,於二氧化矽基材102上形成有與該基材102為不同材質之非晶矽薄膜103。二氧化矽基材102及非晶矽薄膜103係利用與熱處理裝置1分開之裝置而形成,該成膜處理後之半導體晶圓W被搬入至熱處理裝置1之腔室6內。
保持有於二氧化矽基材102上形成有非晶矽薄膜103之半導體晶圓W之搬送機械手的手部自搬送開口部66進入腔室6內,並於保持板7之正上方停止。繼而,3根頂起銷77上升而自搬送機械手之手部接受半導體晶圓W。其後,搬送機械手之手部自腔室6退出,並且藉由封閉搬送開口部66而使腔室6內之熱處理空間65成為密閉空間。
使熱處理空間65成為密閉空間之後,進行腔室6內之氣 體環境調整(步驟S2)。於本實施形態中,為了進行對非晶矽薄膜103加熱而使之結晶化之處理,而自氣體供給部8對腔室6內供給氮氣,並且排氣部9進行自腔室6之排氣。自氣體供給部8供給至儲氣空間67之氮氣自噴出板68之複數個噴出孔69向下方之半導體晶圓W流下。然後,於腔室6內形成有自上方流下之氮氣藉由排氣部9而自半導體晶圓W之周圍排出之氣流。藉此,腔室6內之熱處理空間65成為氮氣環境。再者,為了提高熱處理空間65中之自空氣環境向氮氣環境之置換效率,亦可在不自氣體供給部8供給氮氣之情況下由排氣部9自熱處理空間65進行排氣,藉此,暫時將腔室6內減壓至低於大氣壓之氣壓。
其次,使支撐半導體晶圓W之3根頂起銷77下降並沒入保持板7之插通孔之內部。於頂起銷77下降之過程中,半導體晶圓W自頂起銷77被轉移至保持板7之上表面,並被載置、保持於該上表面。
保持板7係藉由加熱器71及水冷管72而被預先調溫至特定溫度。保持板7之調溫溫度可根據薄膜103之種類及熱處理之目的而設為適宜之溫度。控制部3基於溫度感測器73之測定結果,以使保持板7之溫度成為該調溫溫度之方式而控制對加熱器71之電力供給量及對水冷管72之冷卻水供給量。藉此,保持板7之上表面之溫度亦維持於該調溫溫度。
藉由使頂起銷77下降而使半導體晶圓W載置於被調溫至特定溫度之保持板7上,而開始利用保持板7(嚴格地說為 加熱器71及水冷管72)所進行之對半導體晶圓W之調溫(步驟S3)。藉此,使半導體晶圓W之溫度逐漸自室溫上升至上述調溫溫度,並維持於該調溫溫度。
於半導體晶圓W載置、保持於保持板7上之後,待機特定時間(步驟S4)。在此期間,包含二氧化矽基材102及非晶矽薄膜103之半導體晶圓W之整體被準確地調溫至保持板7之調溫溫度。而且,於使頂起銷77下降而開始半導體晶圓W之調溫後經過特定時間之時間點,藉由控制部3之控制而自閃光照射部5之閃光燈FL向保持於保持板7上之半導體晶圓W照射閃光(步驟S5)。於閃光燈FL進行閃光照射時,預先藉由電源單元95而對電容器93儲存電荷。而且,於在電容器93內儲存有電荷之狀態下,自控制部3之脈衝產生器31對IGBT96輸出脈衝信號而對IGBT96進行接通斷開驅動。
脈衝信號之波形可藉由自輸入部33輸入將脈衝寬度之時間(接通時間)與脈衝間隔之時間(斷開時間)作為參數而依序設定之處理程式而規定。於本實施形態中,設定0.01毫秒以上且1毫秒以下之接通時間與其後之任意之斷開時間。即,裝置之操作員自輸入部33輸入設定有寬度為0.01毫秒以上且1毫秒以下之1脈衝之處理程式。若將此種處理程式自輸入部33輸入至控制部3,則控制部3之波形設定部32依此設定寬度為0.01毫秒以上且1毫秒以下之相當於1脈衝之脈衝波形。而且,脈衝產生器31根據藉由波形設定部32設定之脈衝波形而輸出脈衝信號。其結果,對IGBT96 之閘極施加寬度為0.01毫秒以上且1毫秒以下之相當於1脈衝之脈衝信號,從而控制IGBT96之接通斷開驅動。具體而言,於輸入至IGBT96之閘極之脈衝信號為接通時IGBT96成為接通狀態,於脈衝信號為斷開時IGBT96成為斷開狀態。本實施形態中,因對IGBT96之閘極施加寬度為0.01毫秒以上且1毫秒以下之相當於1脈衝之脈衝信號,故而IGBT96於成為0.01毫秒以上且1毫秒以下之接通狀態後變成斷開狀態。
又,與自脈衝產生器31輸出之脈衝信號成為接通之時點同步地,控制部3控制觸發電路97而對觸發電極91施加高電壓(觸發電壓)。於電容器93內儲存有電荷之狀態下對IGBT96之閘極輸入脈衝信號,且與該脈衝信號成為接通之時點同步地對觸發電極91施加高電壓,藉此,於脈衝信號為接通時,電流於玻璃管92內之兩端電極之間流動,藉由此時之氙原子或分子之激發而放出光。
如此,自控制部3對IGBT96之閘極輸出寬度為0.01毫秒以上且1毫秒以下之相當於1脈衝之脈衝信號,並且與該脈衝信號成為接通之時點同步地對觸發電極91施加高電壓,藉此,電流流過閃光燈FL而輻射閃光。而且,當該脈衝信號為斷開時,IGBT96亦成為斷開狀態,流過閃光燈FL之電流被阻斷,從而亦停止閃光之輻射。如此,電流以0.01毫秒以上且1毫秒以下之通電時間流過閃光燈FL,從而使閃光燈FL之發光時間為0.01毫秒以上至1毫秒。
圖7係說明閃光燈FL之發光時間控制之圖。於不使用 IGBT96而使閃光燈FL發光之情形時,儲存於電容器93內之電荷之大部分在短時間內被消耗掉,閃光燈FL之發光強度之波形成為圖7之虛線所示者。於此情形時之閃光燈FL之發光時間雖依據線圈94之電感而定,但大概為數毫秒程度。
於本實施形態中,於包含閃光燈FL之電路中連接有作為開關器件之IGBT96,並對其閘極輸出寬度為0.01毫秒以上且1毫秒以下之相當於1脈衝之脈衝信號。藉此,藉由IGBT96而使自電容器93向閃光燈FL之電荷供給斷續,從而將電流流過閃光燈FL之時間控制於0.01毫秒以上且l毫秒以下。閃光燈FL僅於電流流過兩端電極間時發光。即,藉由IGBT96而將向閃光燈FL之通電時間設為0.01毫秒以上且1毫秒以下,藉此,使閃光燈FL之發光強度之波形成為如圖7之實線所示者,其發光時間亦成為0.01毫秒以上且1毫秒以下。
自閃光燈FL輻射之閃光之一部分直接朝向腔室6內之保持板7,另一部分暫時藉由反射器52反射後而朝向腔室6內。藉由此種照射時間為0.01毫秒以上且1毫秒以下之閃光之照射,而對形成於二氧化矽基材102上之非晶矽薄膜103進行閃光加熱,從而其溫度上升至處理溫度。藉由該閃光加熱而促進非晶矽薄膜103之結晶化。
於閃光加熱結束後,於使半導體晶圓W保持於保持板7上之狀態下待機特定時間。繼而,使3根頂起銷77上升而頂起載置於保持板7上之半導體晶圓W使其離開保持板7。 其後,再次敞開搬送開口部66,使搬送機械手之手部自搬送開口部66進入腔室6內並於半導體晶圓W之正下方停止。繼而,藉由使頂起銷77下降而將半導體晶圓W自頂起銷77轉移至搬送機械手。然後,使接受有半導體晶圓W之搬送機械手之手部自腔室6退出,藉此半導體晶圓W自腔室6搬出,從而完成熱處理裝置1中之薄膜103之加熱處理(步驟S6)。
第1實施形態中,自閃光燈FL對形成於在半導體晶圓W之表面上所形成之二氧化矽基材102上之非晶矽薄膜103照射閃光,從而進行閃光加熱處理。此時,藉由IGBT96而將對閃光燈FL之通電時間設為0.01毫秒以上且1毫秒以下,藉此,將閃光照射時間設為0.01毫秒以上且1毫秒以下。
因將閃光照射時間設為較先前(圖7之虛線)顯著短之0.01毫秒以上且1毫秒以下,故而可抑制非晶矽薄膜103被過度加熱。其結果,尤其即便於如第1實施形態般對形成於熱導率相對較小之二氧化矽基材102上之非晶矽薄膜103進行閃光加熱之情形時,亦可抑制薄膜103之過度之溫度上升,從而防止薄膜103自基材102剝離,並且可防止妨礙非晶矽之結晶化之促進。尤其,近年來嘗試將薄膜103之厚度變得極薄(數nm~數十nm),為了抑制此種極薄之薄膜103之過度之溫度上升,較佳為將閃光照射時間設為0.01毫秒~0.1毫秒。
<第2實施形態>
其次,說明本發明之第2實施形態。第2實施形態之熱處理裝置之構成完全與第1實施形態相同。又,第2實施形態之熱處理裝置中之處理順序亦與第1實施形態大致相同。
於第2實施形態中,於矽半導體晶圓W之表面形成有鉿(Hf)系化合物等high-k材料(高介電係數材料)之薄膜。第2實施形態中,矽半導體晶圓W本身成為用以形成薄膜之基材。即,於作為矽基材之半導體晶圓W上,形成有與該基材為不同之材質之鉿系化合物之薄膜。鉿系化合物之薄膜係利用與熱處理裝置1分開之裝置並藉由原子層沈積法(ALD:Atomic Layer Deposition)而形成。然後,藉由原子層沈積法而形成有相當於1原子層之水準之膜厚之鉿系化合物之薄膜的半導體晶圓W搬入至熱處理裝置1之腔室6內。
對形成有鉿系化合物之薄膜之半導體晶圓W與第1實施形態同樣地以0.01毫秒以上且1毫秒以下之照射時間進行閃光照射。即,藉由IGBT96將對閃光燈FL之通電時間設為0.01毫秒以上且1毫秒以下,藉此,將閃光照射時間設為0.01毫秒以上且1毫秒以下。藉由該閃光加熱處理而對high-k材料之薄膜賦予結晶性。並藉由反覆進行利用此種原子層沈積法之沈積與利用熱處理裝置1之閃光加熱,而於半導體晶圓W之表面形成特定厚度之high-k材料之薄膜。
第2實施形態中,於進行high-k材料之閃光加熱處理時,high-k材料之電氣特性(靜電電容)根據熱處理空間65之氣 體環境之不同而不同。因此,為對high-k材料賦予所需之電氣特性,而於圖5之步驟S2中,控制進行閃光加熱處理時之熱處理空間65之氮氣濃度及氧氣濃度。
更詳細而言,於high-k材料之膜厚相對較薄且小於特定值時,於在氮氣中混合有氦氣或氬氣之混合氣體中進行閃光加熱處理。具體而言,反應性氣體供給部84敞開閥門86而對腔室6內供給氮氣作為反應性氣體,並且惰性氣體供給部81敞開閥門83而對腔室6內供給氦氣或氬氣作為惰性氣體。藉由敞開閥門83及閥門86之兩者,而對腔室6內之熱處理空間65供給於作為反應性氣體之氮氣中混合有作為惰性氣體之氦氣或氬氣的混合氣體。
腔室6內之熱處理空間65內之混合氣體中之氮氣濃度係藉由濃度感測器180而測定。濃度感測器180之測定結果傳達至控制部3。控制部3基於濃度感測器180之測定結果,以使熱處理空間65內之混合氣體中之氮氣濃度成為預先設定之特定值之方式而進行反應性氣體的濃度調整。具體而言,於利用濃度感測器180所得之氮氣濃度之測定結果低於特定值之情形時,控制部3控制流量調整閥186而增加氮氣之流量。反之,於利用濃度感測器180所得之氮氣濃度之測定結果高於特定值之情形時,控制部3控制流量調整閥186而減少氮氣之流量。如此,控制部3以使利用濃度感測器180所得之氮氣濃度之測定結果接近於特定值之方式,控制流量調整閥186而調整作為反應性氣體之氮氣之流量。
亦可代替調整作為反應性氣體之氮氣之流量,而調整作為惰性氣體之氦氣或氬氣的流量,藉此調整熱處理空間65內之混合氣體中之氮氣濃度。又,亦可調整反應性氣體及惰性氣體之兩者之流量,藉此調整混合氣體中之氮氣濃度。
於以此方式調整氮氣濃度,並使熱處理空間65內之混合氣體中之氮氣濃度成為預先設定之特定值的狀態下,以0.01毫秒以上且1毫秒以下之照射時間自閃光燈FL對半導體晶圓W之表面照射閃光,從而進行high-k材料之薄膜之閃光加熱。藉由於特定濃度之氮氣/氦氣或氬氣之氣體環境中進行閃光加熱處理,而對半導體晶圓W之表面上之high-k材料賦予結晶性。
其次,於high-k材料之膜厚相對較厚,且大於特定值時,於在氧氣中混合有氮氣之混合氣體中進行閃光加熱處理。具體而言,反應性氣體供給部84敞開閥門86而對腔室6內供給氧氣作為反應性氣體,並且惰性氣體供給部81敞開閥門83而對腔室6內供給氮氣作為惰性氣體。藉由敞開閥門83及閥門86之兩者,而對腔室6內之熱處理空間65供給於作為反應性氣體之氧氣中混合有作為惰性氣體之氮氣之混合氣體。再者,亦可供給臭氧代替氧氣作為反應性氣體,亦可供給氦氣或氬氣代替氮氣作為惰性氣體。
腔室6內之熱處理空間65內之混合氣體中之氧氣濃度係藉由濃度感測器180而測定並傳達至控制部3。控制部3基於濃度感測器180之測定結果,以使熱處理空間65內之混 合氣體中之氧氣濃度成為預先設定之特定值之方式而進行反應性氣體的濃度調整。具體而言,於利用濃度感測器180所得之氧氣濃度之測定結果低於特定值之情形時,控制部3控制流量調整閥186而增加氧氣之流量。反之,於利用濃度感測器180所得之氧氣濃度之測定結果高於特定值之情形時,控制部3控制流量調整閥186而減少氧氣之流量。如此,控制部3以使利用濃度感測器180所得之氧氣濃度之測定結果接近於特定值之方式,控制流量調整閥186而調整作為反應性氣體之氧氣的流量。再者,與上述同樣地,亦可藉由調整惰性氣體之流量而調整熱處理空間65內之混合氣體中之氧氣濃度。又,亦可藉由調整反應性氣體及惰性氣體之兩者之流量而調整混合氣體中之氧氣濃度。
於以此方式調整氧氣濃度,並使熱處理空間65內之混合氣體中之氧氣濃度成為預先設定之特定值的狀態下,以0.01毫秒以上且1毫秒以下之照射時間自閃光燈FL對半導體晶圓W之表面照射閃光,從而進行high-k材料之薄膜之閃光加熱。藉由於特定濃度之氧氣/氮氣之氣體環境中進行閃光加熱處理,而對半導體晶圓W之表面上之high-k材料賦予結晶性,並且使high-k材料氧化。而且,可藉由於氮氣濃度及氧氣濃度被管理於特定值之氣體環境中進行high-k材料之閃光加熱處理,而對high-k材料賦予所需之電氣特性。
又,與第1實施形態同樣地,因將閃光照射時間設為較先前顯著短之0.01毫秒以上且1毫秒以下,故而可抑制 high-k材料之薄膜被過度地加熱。其結果,high-k材料之薄膜之過度之溫度上升得以抑制,從而可防止薄膜自基材剝離。尤其,因藉由原子層沈積法而形成之high-k材料之薄膜的膜厚為相當於1原子層之極薄者,故而較佳為將閃光照射時間設為0.01毫秒~1毫秒之極短時間。
<變形例>
以上說明了本發明之實施形態,但本發明可於不脫離其主旨之範圍內進行除上述者以外之各種變更。例如,上述第1實施形態中,於二氧化矽基材102上形成有非晶矽薄膜103,亦可取代其而於二氧化矽基材102上形成有多晶矽薄膜。對於形成於二氧化矽基材102上之多晶矽薄膜,與第1實施形態同樣地自閃光燈FL以0.01毫秒以上且1毫秒以下之照射時間照射閃光,藉此,可抑制該薄膜之過度加熱並且促進結晶化。
又,上述各實施形態中,藉由IGBT96而使對閃光燈FL之通電時間為0.01毫秒以上且1毫秒以下,但並不僅限於此,亦可藉由其他方法將閃光照射時間規定為0.01毫秒以上且1毫秒以下。例如,亦可不於電路中設置IGBT96,而藉由調整線圈94之電感及電容器93之靜電電容而使對閃光燈FL之通電時間為0.01毫秒以上且1毫秒以下。
又,上述各實施形態中,使用IGBT96作為開關器件,亦可代替其而使用可根據輸入至閘極之信號位準而接通斷開電路之其他電晶體。然而,由於閃光燈FL之發光消耗相當大之電力,因此較佳為採用適合大功率之處理之IGBT 或GTO(Gate Turn Off,截斷)閘流體作為開關器件。
又,第1實施形態中於二氧化矽基材102上形成有非晶矽薄膜103,第2實施形態中於矽基材上形成有鉿系化合物之薄膜,但成為本發明之熱處理技術之處理對象者並不限定於其等。例如,亦可對形成於矽基材上之光阻薄膜以0.01毫秒以上且1毫秒以下之照射時間照射閃光。尤其於形成極薄之光阻薄膜之情形時,較佳為將閃光之照射時間設為0.01毫秒~0.1毫秒。又,亦可於以二氧化矽為素材之液晶顯示裝置用等玻璃基板上形成非晶矽或多晶矽薄膜,並對該薄膜以0.01毫秒以上且1毫秒以下之照射時間照射閃光。即,本發明之熱處理技術可適用於進行於基材上由與該基材不同之材質形成之薄膜的加熱處理。
又,上述實施形態中,由電阻發熱體構成作為加熱機構之加熱器71,亦可代替其而藉由利用鹵素燈等之光照射加熱、感應加熱、高溫氣體之噴附等而對半導體晶圓W進行調溫。
又,亦可使用質量流量控制器等能控制氣體流量之其他機構代替流量調整閥183、186、189。
又,上述實施形態中,於閃光照射部5具有30根閃光燈FL,但並不限定於此,可將閃光燈FL之根數設為任意之數量。又,閃光燈FL並不僅限於氙氣閃光燈,亦可為氪氣閃光燈。
1‧‧‧熱處理裝置
3‧‧‧控制部
5‧‧‧閃光照射部
6‧‧‧腔室
7‧‧‧保持板
8‧‧‧氣體供給部
9‧‧‧排氣部
31‧‧‧脈衝產生器
32‧‧‧波形設定部
33‧‧‧輸入部
52‧‧‧反射器
61‧‧‧腔室窗
62‧‧‧腔室底部
63‧‧‧腔室側部
65‧‧‧熱處理空間
66‧‧‧搬送開口部
67‧‧‧儲氣空間
68‧‧‧噴出板
69‧‧‧噴出孔
71‧‧‧加熱器
72‧‧‧水冷管
73‧‧‧溫度感測器
77‧‧‧頂起銷
78‧‧‧氣缸
81‧‧‧惰性氣體供給部
82‧‧‧惰性氣體
83‧‧‧閥門
84‧‧‧反應性氣體供給部
85‧‧‧反應性氣體
86‧‧‧閥門
87‧‧‧清潔氣體供給部
88‧‧‧清潔氣體
89‧‧‧閥門
93‧‧‧電容器
94‧‧‧線圈
96‧‧‧IGBT
97‧‧‧觸發電路
180‧‧‧濃度感測器
183‧‧‧流量調整閥
186‧‧‧流量調整閥
189‧‧‧流量調整閥
191‧‧‧排氣裝置
192‧‧‧閥門
193‧‧‧排氣口
FL‧‧‧閃光燈
W‧‧‧半導體晶圓
圖1係表示本發明之熱處理裝置之主要部分構成之圖。
圖2係表示保持板之構成之剖面圖。
圖3係噴出板之平面圖。
圖4係表示閃光燈之驅動電路之圖。
圖5係表示圖1之熱處理裝置中之半導體晶圓之處理順序的流程圖。
圖6係表示成為處理對象之半導體晶圓之剖面構造之圖。
圖7係說明閃光燈之發光時間控制之圖。
1‧‧‧熱處理裝置
3‧‧‧控制部
5‧‧‧閃光照射部
6‧‧‧腔室
7‧‧‧保持板
8‧‧‧氣體供給部
9‧‧‧排氣部
52‧‧‧反射器
61‧‧‧腔室窗
62‧‧‧腔室底部
63‧‧‧腔室側部
65‧‧‧熱處理空間
66‧‧‧搬送開口部
67‧‧‧儲氣空間
68‧‧‧噴出板
69‧‧‧噴出孔
77‧‧‧頂起銷
78‧‧‧氣缸
81‧‧‧惰性氣體供給部
82‧‧‧惰性氣體
83‧‧‧閥門
84‧‧‧反應性氣體供給部
85‧‧‧反應性氣體
86‧‧‧閥門
87‧‧‧清潔氣體供給部
88‧‧‧清潔氣體
89‧‧‧閥門
180‧‧‧濃度感測器
183‧‧‧流量調整閥
186‧‧‧流量調整閥
189‧‧‧流量調整閥
191‧‧‧排氣裝置
192‧‧‧閥門
193‧‧‧排氣口
FL‧‧‧閃光燈
W‧‧‧半導體晶圓

Claims (10)

  1. 一種熱處理方法,其特徵在於,其係進行於基材上由與該基材不同之材質形成之薄膜之加熱處理的熱處理方法,且包括:收容步驟,將形成有薄膜之基材收容並保持於腔室內;及閃光照射步驟,對上述薄膜以0.01毫秒以上且1毫秒以下之照射時間照射閃光而加熱上述薄膜。
  2. 如請求項1之熱處理方法,其中包括:排氣步驟,自上述腔室進行排氣;及氣體供給步驟,對上述腔室內供給處理氣體。
  3. 如請求項2之熱處理方法,其中於上述氣體供給步驟中,對上述腔室內供給混合有與上述薄膜反應之反應性氣體與惰性氣體之混合氣體;且包括:濃度測定步驟,測定上述腔室內之混合氣體中之反應性氣體之濃度;及濃度調整步驟,基於上述濃度測定步驟中之測定結果而調整反應性氣體及惰性氣體之至少任一者之流量,從而調整混合氣體中之反應性氣體之濃度。
  4. 如請求項1之熱處理方法,其中於上述閃光照射步驟中,對形成於二氧化矽基材上之非晶矽或多晶矽之薄膜加熱而促進該薄膜之結晶化。
  5. 如請求項3之熱處理方法,其中於上述閃光照射步驟中,對藉由原子層沈積法而形成於矽基材上之高介電係 數膜之薄膜加熱而賦予其結晶性。
  6. 如請求項5之熱處理方法,其中於上述高介電係數膜之膜厚小於特定值時,對上述腔室內供給於氮氣中混合有氦氣或氬氣之混合氣體,且於上述高介電係數膜之膜厚大於特定值時,對上述腔室內供給於氧氣中混合有氮氣之混合氣體。
  7. 一種熱處理裝置,其特徵在於,其係進行於基材上由與該基材不同之材質形成之薄膜之加熱處理的熱處理裝置;且包括:腔室,其收容形成有薄膜之基材;保持機構,其將上述基材保持於上述腔室內;閃光燈,其對保持於上述保持機構之上述基材照射閃光;及發光控制機構,其使上述閃光燈之閃光照射時間為0.01毫秒以上且1毫秒以下。
  8. 如請求項7之熱處理裝置,其中上述發光控制機構包含使對上述閃光燈之通電時間為0.01毫秒以上且1毫秒以下之絕緣閘雙極性電晶體。
  9. 如請求項7或8之熱處理裝置,其中包含:氣體供給機構,其對上述腔室內供給處理氣體;及排氣機構,其自上述腔室進行排氣。
  10. 如請求項9之熱處理裝置,其中上述氣體供給機構對上述腔室內供給混合有與上述薄膜反應之反應性氣體與惰性氣體之混合氣體;且進而包括: 濃度測定機構,其係測定上述腔室內之混合氣體中之反應性氣體之濃度;及濃度調整機構,其係基於上述濃度測定機構之測定結果而調整反應性氣體及惰性氣體之至少任一者之流量,從而調整混合氣體中之反應性氣體之濃度。
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