TWI756661B - 熱處理方法及熱處理裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種可容易地剝離含碳之薄膜之熱處理方法及熱處理裝置。 進行氫氣退火，即，將成膜有包含摻雜劑及碳之薄膜之半導體晶圓於包含氫氣之氛圍中加熱至退火溫度T1。之後，將腔室內自氫氣氛圍置換成氧氣氛圍，並於氧氣氛圍中將半導體晶圓預加熱至預加熱溫度T2後，進行將半導體晶圓之表面以小於1秒之時間加熱至峰值溫度T3之閃光加熱處理。藉由在氧氣氛圍中對半導體晶圓進行加熱，將摻雜劑活化並促進薄膜中之碳與氛圍中之氧之結合，自薄膜排出碳，從而防止薄膜硬化。其結果，可容易地將含碳之薄膜自半導體晶圓剝離。

Description

熱處理方法及熱處理裝置
本發明係關於一種藉由對半導體晶圓等薄板狀精密電子基板(以下僅稱為「基板」)照射光而對該基板進行加熱之熱處理方法及熱處理裝置。
於半導體元件之製造過程中，向單晶矽或鍺導入摻雜劑係必不可少之步驟。藉由導入摻雜劑，製作n型半導體或p型半導體。摻雜劑之導入通常係藉由如下方法實現：利用離子注入法將硼(B)、砷(As)、磷(P)等摻雜劑原子注入至矽等半導體基板中，對該半導體基板實施退火處理，使摻雜劑原子活化。但是，離子注入法存在使單晶矽等產生結晶缺陷之問題。
又，近年來，一直在嘗試將先前之平面型(planar type)之元件構造設為立體構造，以此提高元件性能(例如鰭式場效電晶體(Fin Field-Effect Transistor，Fin FET)等)。於此種立體構造之情形時，利用一直以來為主流之離子注入法向所需要之部位注入摻雜劑存在困難。因此，作為與離子注入法不同之摻雜劑導入技術，提出了SSD(Solid source doping，固態源摻雜)，即，使添加了硼或磷等摻雜劑之薄膜成膜於半導體晶圓上，對其實施退火處理，由此使摻雜劑原子自該薄膜擴散至半導體中(例如專利文獻1等)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2007-201337號公報
[發明要解決之問題]
一般而言，於利用旋轉塗佈機成膜添加了摻雜劑之薄膜之情形時，塗佈於半導體晶圓上之塗佈材料之主成分為含碳(C)之有機物系。由此，於半導體晶圓上形成包含摻雜劑及碳之薄膜。但是，會產生如下問題：含碳之薄膜因高溫之退火處理而硬化，導致於之後之剝離處理時已硬化之薄膜難以剝離。尤其是於摻雜劑為硼之情形時，硼與碳藉由退火處理而結合，生成作為超硬材料之碳化硼，從而無法容易地剝離薄膜。
本發明係鑒於上述問題而完成，其目的在於提供一種可容易地剝離含碳之薄膜之熱處理方法及熱處理裝置。 [解決問題之技術手段]
為了解決上述問題，技術方案1之發明係一種熱處理方法，其係藉由對基板照射光而對該基板進行加熱，其特徵在於，具備：收容步驟，其係將形成有包含摻雜劑及碳之薄膜之基板收容於腔室內；氧化氛圍形成步驟，其係向上述腔室內供給氧化性氣體，從而形成氧化氛圍；及加熱步驟，其係對上述基板照射光，從而對上述基板進行加熱。
又，技術方案2之發明係如技術方案1之發明之熱處理方法，其特徵在於，上述加熱步驟包含：預加熱步驟，其係自連續點亮燈向上述基板照射光；及閃光加熱步驟，其係於上述預加熱步驟後，自閃光燈向上述基板照射閃光；於上述預加熱步驟之中途開始向上述腔室內供給上述氧化性氣體。
又，技術方案3之發明係如技術方案2之發明之熱處理方法，其特徵在於，上述加熱步驟進而包含退火步驟，該退火步驟係於上述預加熱步驟之前藉由來自上述連續點亮燈之光照射，將上述基板維持於較上述預加熱步驟中之上述基板之溫度低之溫度，上述退火步驟係於上述腔室內形成氫氣氛圍或氮氣氛圍而進行。
又，技術方案4之發明係如技術方案2之發明之熱處理方法，其特徵在於，在上述閃光加熱步驟中對上述基板照射包含紫外線光之閃光。
又，技術方案5之發明係如技術方案1至4中任一發明之熱處理方法，其特徵在於，上述氧化性氣體包含選自由氧氣、臭氧及氮氧化物所組成之群中之1種氣體。
又，技術方案6之發明係一種熱處理裝置，其係藉由對基板照射光而對該基板進行加熱，其特徵在於，具備：腔室，其收容形成有包含摻雜劑及碳之薄膜之基板；氣體供給部，其向上述腔室內供給氧化性氣體，從而形成氧化氛圍；及光照射部，其對上述基板照射光，從而對上述基板進行加熱。
又，技術方案7之發明係如技術方案6之發明之熱處理裝置，其特徵在於，上述光照射部包含：連續點亮燈，其對上述基板照射光，從而對上述基板進行預加熱；及閃光燈，其於上述預加熱後對上述基板照射閃光；上述氣體供給部於上述預加熱之中途開始向上述腔室內供給上述氧化性氣體。
又，技術方案8之發明係如技術方案7之發明之熱處理裝置，其特徵在於，在上述預加熱之前，於上述腔室內形成氫氣氛圍或氮氣氛圍，並藉由來自上述連續點亮燈之光照射將上述基板維持於較上述預加熱中之上述基板之溫度低之溫度。
又，技術方案9之發明係如技術方案7之發明之熱處理裝置，其特徵在於，上述閃光燈對上述基板照射包含紫外線光之閃光。
又，技術方案10之發明係如技術方案6至9中任一發明之熱處理裝置，其特徵在於，上述氧化性氣體包含選自由氧氣、臭氧及氮氧化物所組成之群中之1種氣體。 [發明之效果]
根據技術方案1至5之發明，向收容形成有包含摻雜劑及碳之薄膜之基板之腔室內供給氧化性氣體，從而形成氧化氛圍，並對該基板照射光而對該基板進行加熱，因此能夠促進薄膜中之碳之氧化並將碳自薄膜排出，以此防止薄膜硬化，從而可容易地將含碳之薄膜自基板剝離。
尤其，根據技術方案4之發明，於閃光加熱步驟中，由於對基板照射包含紫外線光之閃光，故可利用紫外線光之化學反應進行薄膜之灰化處理，從而更容易地將含碳之薄膜自基板剝離。
根據技術方案6至10之發明，向收容形成有包含摻雜劑及碳之薄膜之基板之腔室內供給氧化性氣體，從而形成氧化氛圍，並對該基板照射光而對該基板進行加熱，因此能夠促進薄膜中之碳之氧化並將碳自薄膜排出，以此防止薄膜硬化，從而可容易地將含碳之薄膜自基板剝離。
尤其，根據技術方案9之發明，由於閃光燈向基板照射包含紫外線光之閃光，故可利用紫外線光之化學反應進行薄膜之灰化處理，從而更容易地將含碳之薄膜自基板剝離。
以下，一面參照圖式，一面詳細地對本發明之實施形態進行說明。
首先，對本發明之熱處理裝置進行說明。圖1係表示本發明之熱處理裝置1之構成之縱剖視圖。圖1之熱處理裝置1係藉由對作為基板之圓板形狀之半導體晶圓W進行閃光照射，而對該半導體晶圓W進行加熱之閃光燈退火裝置。成為處理對象之半導體晶圓W之尺寸並無特別限定，例如為
Figure 02_image001
300 mm或
Figure 02_image001
450 mm。再者，於圖1及之後之各圖中，為方便理解，視需要誇大或簡化地描繪各部之尺寸或數量。
熱處理裝置1具備：腔室6，其收容半導體晶圓W；閃光加熱部5，其內置複數個閃光燈FL；及鹵素加熱部4，其內置複數個鹵素燈HL。於腔室6之上側設置閃光加熱部5，並於下側設置有鹵素加熱部4。熱處理裝置1具備向腔室6內供給處理氣體之氣體供給部90。又，熱處理裝置1於腔室6之內部具備保持部7及移載機構10，該保持部7將半導體晶圓W保持為水平姿勢，該移載機構10於保持部7與裝置外部之間進行半導體晶圓W之交接。進而，熱處理裝置1具備控制部3，該控制部3控制設置於鹵素加熱部4、閃光加熱部5及腔室6中之各動作機構而執行半導體晶圓W之熱處理。
腔室6係於筒狀腔室側部61之上下安裝石英製之腔室窗而構成。腔室側部61具有上下開口之大致筒形狀，於上側開口安裝有上側腔室窗63以進行封閉，於下側開口安裝有下側腔室窗64以進行封閉。構成腔室6之頂壁之上側腔室窗63係由石英形成之圓板形狀構件，作為使自閃光加熱部5出射之閃光透射至腔室6內之石英窗發揮作用。又，構成腔室6之底部之下側腔室窗64亦為由石英形成之圓板形狀構件，作為使來自鹵素加熱部4之光透射至腔室6內之石英窗發揮作用。
又，於腔室側部61之內側之壁面之上部安裝有反射環68，於下部安裝有反射環69。反射環68、69均形成為圓環狀。上側之反射環68藉由自腔室側部61之上側嵌入而進行安裝。另一方面，下側之反射環69藉由自腔室側部61之下側嵌入並利用省略圖示之螺釘固定而進行安裝。即，反射環68、69均裝卸自如地安裝於腔室側部61。將腔室6之內側空間，即由上側腔室窗63、下側腔室窗64、腔室側部61及反射環68、69所包圍之空間規定為熱處理空間65。
藉由將反射環68、69安裝於腔室側部61，而於腔室6之內壁面形成凹部62。即，形成由腔室側部61之內壁面中未安裝反射環68、69之中央部分、反射環68之下端面、及反射環69之上端面包圍之凹部62。凹部62於腔室6之內壁面沿著水平方向形成為圓環狀，圍繞保持半導體晶圓W之保持部7。腔室側部61及反射環68、69由強度與耐熱性優異之金屬材料(例如不鏽鋼)形成。
又，於腔室側部61形成設置有用以相對於腔室6進行半導體晶圓W之搬入及搬出之搬送開口部(爐口)66。搬送開口部66可藉由閘閥185打開及關閉。搬送開口部66與凹部62之外周面相通地連接。因此，當閘閥185打開搬送開口部66時，可自搬送開口部66藉由凹部62向熱處理空間65搬入半導體晶圓W及自熱處理空間65搬出半導體晶圓W。又，當閘閥185將搬送開口部66閉鎖時，腔室6內之熱處理空間65成為密閉空間。
進而，於腔室側部61貫穿設置有貫通孔61a。於腔室側部61之外壁面之設置有貫通孔61a之部位安裝有輻射溫度計20。貫通孔61a係用以將自保持於下述晶座74之半導體晶圓W之下表面輻射之紅外光引導至輻射溫度計20之圓筒狀之孔。貫通孔61a以其貫通方向之軸與保持於晶座74之半導體晶圓W之主面相交之方式相對於水平方向傾斜設置。於貫通孔61a之面向熱處理空間65側之端部，安裝有透明窗21，該透明窗21使輻射溫度計20所能夠測定之波長區域之紅外光透過且由氟化鋇材料構成。輻射溫度計20經由透明窗21接收自半導體晶圓W之下表面輻射之紅外光，並根據該紅外光之強度測定半導體晶圓W之溫度。
又，於腔室6之內壁上部形成設置有向熱處理空間65供給處理氣體之氣體供給孔81。氣體供給孔81形成設置於較凹部62更靠上側之位置，亦可設置於反射環68上。氣體供給孔81經由呈圓環狀地形成於腔室6之側壁內部之緩衝空間82，與氣體供給部90之供給配管83相通地連接。供給配管83分支成兩條，其中一條與氧氣供給源93連接，另一條與氫氣供給源94連接。於自供給配管83分支並與氧氣供給源93連接之配管上設置閥91，於與氫氣供給源94連接之配管上設置閥92。當打開閥91時，將氧氣(O2 )自氧氣供給源93送至供給配管83。另一方面，當打開閥92時，將氫氣(H2 )自氫氣供給源94送至供給配管83。由氧氣供給源93、氫氣供給源94、閥91、閥92及供給配管83構成熱處理裝置1之氣體供給部90。氣體供給部90亦具備省略圖示之氮氣供給源，亦可將氮氣(N2 )或氧氣、氫氣與氮氣之混合氣體送至供給配管83。自供給配管83供給之處理氣流入至緩衝空間82中，以於流體阻力小於氣體供給孔81之緩衝空間82內擴散之方式流動，並自氣體供給孔81被供給至熱處理空間65內。再者，氧氣及氫氣各自之供給流量可藉由設置於分支之配管中之圖示省略之流量調整閥等進行調整。
另一方面，在腔室6之內壁下部形成設置有將熱處理空間65內之氣體排出之氣體排氣孔86。氣體排氣孔86形成設置於較凹部62更靠下側之位置，亦可設置於反射環69上。氣體排氣孔86經由呈圓環狀地形成於腔室6之側壁內部之緩衝空間87與氣體排氣管88相通地連接。氣體排氣管88與排氣部190連接。又，於氣體排氣管88之路徑中途介插有閥89。當打開閥89時，熱處理空間65之氣體自氣體排氣孔86經過緩衝空間87向氣體排氣管88排出。再者，氣體供給孔81及氣體排氣孔86可沿著腔室6之圓周方向設置複數個，亦可呈狹縫狀。
又，於搬送開口部66之前端亦連接有將熱處理空間65內之氣體排出之氣體排氣管191。氣體排氣管191經由閥192與排氣部190連接。藉由打開閥192，經由搬送開口部66排出腔室6內之氣體。
排氣部190具備排氣泵。藉由使排氣部190作動並打開閥89、192，將腔室6內之氛圍自氣體排氣管88、191排出至排氣部190中。當於未自氣體供給孔81進行任何氣體供給之情形時，利用排氣部190排出作為密閉空間之熱處理空間65之氛圍時，能夠將腔室6內減壓成為小於大氣壓之氣壓。即，排氣部190亦作為將腔室6內減壓之減壓部發揮作用。
圖2係表示保持部7之整體外觀之立體圖。保持部7具備基台環71、連結部72及晶座74而構成。基台環71、連結部72及晶座74均由石英形成。即，整個保持部7由石英形成。
基台環71係自圓環形狀缺損一部分而成之圓弧形狀之石英構件。該缺損部分係為了防止下述移載機構10之移載臂11與基台環71之干涉而設置。基台環71藉由載置於凹部62之底面上，而支持於腔室6之壁面上(參照圖1)。於基台環71之上表面沿著其圓環形狀之圓周方向豎立設置複數個連結部72(本實施形態中為4個)。連結部72亦為石英構件，藉由熔接而固定於基台環71上。
晶座74由設置於基台環71上之4個連結部72支持。圖3係晶座74之俯視圖。又，圖4係晶座74之剖視圖。晶座74具備保持板75、導環76及複數個基板支持銷77。保持板75係由石英形成之大致圓形之平板狀構件。保持板75之直徑大於半導體晶圓W之直徑。即，保持板75具有大於半導體晶圓W之平面尺寸。
於保持板75之上表面周緣部設置有導環76。導環76係具有較半導體晶圓W之直徑大之內徑之圓環形狀之構件。例如，於半導體晶圓W之直徑為
Figure 02_image001
300 mm之情形時，導環76之內徑為
Figure 02_image001
320 mm。導環76之內周製成如自保持板75起朝向上方變寬之錐面。導環76由與保持板75相同之石英形成。導環76可熔接固定於保持板75之上表面，亦可藉由另行加工之銷等固定於保持板75上。或者，亦可將保持板75與導環76加工成為一體之構件。
將保持板75之上表面中較導環76更靠內側之區域設為保持半導體晶圓W之平面狀保持面75a。於保持板75之保持面75a上豎立設置有複數個基板支持銷77。於本實施形態中，沿著與保持面75a之外周圓(導環76之內周圓)為同心圓之圓周上每30°豎立設置共計12個基板支持銷77。配置有12個基板支持銷77之圓之直徑(對向之基板支持銷77間之距離)小於半導體晶圓W之直徑，若半導體晶圓W之直徑為
Figure 02_image001
300 mm，則該圓之直徑為
Figure 02_image001
270 mm～
Figure 02_image001
280 mm(本實施形態中為
Figure 02_image001
270 mm)。各個基板支持銷77由石英形成。複數個基板支持銷77可藉由熔接設置於保持板75之上表面，亦可與保持板75加工成為一體。
返回至圖2，豎立設置於基台環71上之4個連結部72與晶座74之保持板75之周緣部藉由熔接而固定。即，晶座74與基台環71藉由連結部72而固定地連結。此種保持部7之基台環71藉由支持於腔室6之壁面上，而將保持部7安裝於腔室6中。於腔室6中安裝有保持部7之狀態下，晶座74之保持板75成為水平姿勢(法線與鉛直方向一致之姿勢)。即，保持板75之保持面75a成為水平面。
被搬入至腔室6中之半導體晶圓W以水平姿勢載置並保持在安裝於腔室6中之保持部7之晶座74上。此時，半導體晶圓W由豎立設置於保持板75上之12個基板支持銷77支持，從而保持於晶座74上。更嚴格而言，12個基板支持銷77之上端部接觸半導體晶圓W之下表面而支持該半導體晶圓W。由於12個基板支持銷77之高度(自基板支持銷77之上端至保持板75之保持面75a之距離)為均勻，故能夠利用12個基板支持銷77將半導體晶圓W支持為水平姿勢。
又，半導體晶圓W由複數個基板支持銷77自保持板75之保持面75a隔開特定間隔地受到支持。導環76之厚度大於基板支持銷77之高度。因此，可利用導環76防止由複數個基板支持銷77所支持之半導體晶圓W之水平方向之位置偏移。
又，如圖2及圖3所示，於晶座74之保持板75中上下貫通地形成有開口部78。開口部78係為了供輻射溫度計20接收自半導體晶圓W之下表面輻射之輻射光(紅外光)而設置。即，輻射溫度計20經由開口部78及安裝於腔室側部61之貫通孔61a之透明窗21接收自半導體晶圓W之下表面輻射之光，從而測定該半導體晶圓W之溫度。進而，於晶座74之保持板75上貫穿設置有4個貫通孔79，該等貫通孔79供下述移載機構10之頂起銷12貫通，以便交接半導體晶圓W。
圖5係移載機構10之俯視圖。又，圖6係移載機構10之側視圖。移載機構10具備2條移載臂11。移載臂11設為如沿著大致圓環狀之凹部62之圓弧形狀。於各個移載臂11豎立設置有2條頂起銷12。移載臂11及頂起銷12由石英形成。各移載臂11可藉由水平移動機構13而旋動。水平移動機構13使一對移載臂11相對於保持部7於移載動作位置(圖5之實線位置)與退避位置(圖5之雙點劃線位置)之間水平移動，該移載動作位置係進行半導體晶圓W之移載之位置，該退避位置係於俯視下不與保持於保持部7之半導體晶圓W重疊之位置。作為水平移動機構13，可藉由個別之馬達使各移載臂11各自旋動，亦可使用連桿機構並藉由1個馬達使一對移載臂11連動而旋動。
又，一對移載臂11藉由升降機構14與水平移動機構13一同進行升降移動。當升降機構14使一對移載臂11上升至移載動作位置時，共計4條頂起銷12藉由貫穿設置於晶座74上之貫通孔79(參照圖2、3)，頂起銷12之上端自晶座74之上表面突出。另一方面，升降機構14使一對移載臂11於移載動作位置下降而將頂起銷12自貫通孔79拔出，當水平移動機構13使一對移載臂11以被打開之方式移動時，各移載臂11移動至退避位置。一對移載臂11之退避位置為保持部7之基台環71之正上方。由於基台環71載置於凹部62之底面，故移載臂11之退避位置成為凹部62之內側。再者，於移載機構10之設置有驅動部(水平移動機構13及升降機構14)之部位附近進而設置有省略圖示之排氣機構，以將移載機構10之驅動部周邊之氛圍排出至腔室6之外部之方式構成。
返回至圖1，於腔室6中設置有氧濃度計99。氧濃度計99測定腔室6內之氛圍中之氧濃度。
設置於腔室6之上方之閃光加熱部5係於殼體51之內側具備由複數根(本實施形態中為30根)氙氣閃光燈FL所組成之光源、及以覆蓋該光源之上方之方式設置之反射器52而構成。又，於閃光加熱部5之殼體51之底部安裝有燈光輻射窗53。構成閃光加熱部5之地板部之燈光輻射窗53係由石英形成之板狀之石英窗。藉由將閃光加熱部5設置於腔室6之上方，燈光輻射窗53與上側腔室窗63相對向。閃光燈FL自腔室6之上方經由燈光輻射窗53及上側腔室窗63對熱處理空間65照射閃光。
複數個閃光燈FL分別為具有長條之圓筒形狀之棒狀燈，且以各自之長度方向沿著保持於保持部7之半導體晶圓W之主面(即沿著水平方向)相互平行之方式排列成平面狀。因此，藉由閃光燈FL之排列形成之平面亦為水平面。排列複數個閃光燈FL之區域大於半導體晶圓W之平面尺寸。
氙氣閃光燈FL具備：圓筒形狀之玻璃管(放電管)，於其內部封入氙氣且於其兩端部配設有與電容器連接之陽極及陰極；及觸發電極，其附設於該玻璃管之外周面上。氙氣係電性絕緣體，因此即便於電容器中儲存有電荷，於通常狀態下玻璃管內亦不會流通電。但是，於向觸發電極施加高電壓而破壞絕緣之情形時，儲存於電容器中之電瞬間流通於玻璃管內，藉由此時之氙原子或分子之激發而放出光。於此種氙氣閃光燈FL中，預先儲存於電容器中之靜電能被轉換成0.1毫秒至100毫秒之極短光脈衝，因此與如鹵素燈HL般連續點亮之光源相比，具有可照射極強光之特徵。即，閃光燈FL係於小於1秒之極短時間內瞬間發光之脈衝發光燈。再者，閃光燈FL之發光時間可藉由對閃光燈FL進行電力供給之燈電源之線圈常數而調整。
又，反射器52以覆蓋複數個閃光燈整體之方式設置於該等複數個閃光燈FL之上方。反射器52之基本功能係將自複數個閃光燈FL出射之閃光向熱處理空間65側反射。反射器52由鋁合金板形成，其表面(面向閃光燈FL側之面)藉由噴擊處理而實施粗面化加工。
設置於腔室6之下方之鹵素加熱部4於殼體41之內側內置有複數根(本實施形態中為40根)鹵素燈HL。鹵素加熱部4藉由複數個鹵素燈HL自腔室6之下方經由下側腔室窗64向熱處理空間65進行光照射，從而對半導體晶圓W進行加熱。
圖7係表示複數個鹵素燈HL之配置之俯視圖。40根鹵素燈HL分為上下2段而配置。於靠近保持部7之上段配設有20根鹵素燈HL，並於較上段更遠離保持部7之下段亦配設有20根鹵素燈HL。各鹵素燈HL係具有長條之圓筒形狀之棒狀燈。上段、下段中，20根鹵素燈HL均以各自之長度方向沿著保持於保持部7之半導體晶圓W之主面(即沿著水平方向)相互平行之方式排列。由此，上段、下段中，藉由鹵素燈HL之排列形成之平面均為水平面。
又，如圖7所示，上段、下段均為相比與保持於保持部7之半導體晶圓W之中央部對向之區域，與周緣部對向之區域中之鹵素燈HL之配設密度更高。即，上下段均為相比燈管排列之中央部，周緣部之鹵素燈HL之配設間距更短。因此，可對利用以自鹵素加熱部4之光照射進行加熱時溫度容易下降之半導體晶圓W之周緣部，進行更多光量之照射。
又，由上段之鹵素燈HL所構成之燈群與由下段之鹵素燈HL所構成之燈群以呈格子狀交叉之方式排列。即，以配置於上段之20根鹵素燈HL之長度方向與配置於下段之20根鹵素燈HL之長度方向相互正交之方式，配設有共計40根鹵素燈HL。
鹵素燈HL係藉由對配設於玻璃管內部之燈絲通電，使燈絲白熾化而發光之燈絲方式之光源。於玻璃管之內部封入有向氮氣或氬氣等惰性氣體導入微量鹵素元素(碘、溴等)而得之氣體。藉由導入鹵素元素，能夠抑制燈絲之折損並能夠將燈絲之溫度設定為高溫。因此，鹵素燈HL具有如下特性：與普通白熾燈泡相比，壽命更長且能夠連續照射強光。即，鹵素燈HL係至少1秒以上連續發光之連續點亮燈。又，鹵素燈HL為棒狀燈，因此壽命較長，藉由使鹵素燈HL沿著水平方向配置，使得針對上方之半導體晶圓W之輻射效率優異。
又，於鹵素加熱部4之殼體41內，亦於2段之鹵素燈HL之下側設置有反射器43(圖1)。反射器43將自複數個鹵素燈HL出射之光向熱處理空間65側反射。
控制部3控制設置於熱處理裝置1中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具備：CPU(Central Processing Unit，中央處理器)，其係進行各種運算處理之電路；ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)，其係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)，其係記憶各種資訊之自由讀寫記憶體；及磁碟，其預先記憶控制用軟體或資料等。藉由控制部3之CPU執行特定之處理程式而進行熱處理裝置1中之處理。
除了上述構成以外，熱處理裝置1進而具備各種冷卻用構造，以防於半導體晶圓W之熱處理時自鹵素燈HL及閃光燈FL產生之熱能導致鹵素加熱部4、閃光加熱部5及腔室6之溫度過度上升。例如，於腔室6之壁體設置有水冷管(省略圖示)。又，鹵素加熱部4及閃光加熱部5設為於內部形成氣流從而進行排熱之空氣冷卻構造。又，亦向上側腔室窗63與燈光輻射窗53之間隙供給空氣，從而將閃光加熱部5及上側腔室窗63冷卻。
繼而，對本發明之熱處理方法進行說明。圖8係表示本發明之熱處理方法之順序之流程圖。於本實施形態中，成為處理對象之半導體基板為矽(Si)半導體晶圓W。首先，於矽半導體晶圓W之表面成膜包含摻雜劑之薄膜(步驟S1)。步驟S1之成膜處理利用與上述熱處理裝置1不同之成膜裝置執行。具體而言，利用旋轉塗佈機使半導體晶圓W旋轉，並向其表面滴加包含摻雜劑之塗佈液，利用離心力於半導體晶圓W的表面將該塗佈液較薄地擴展塗佈。塗佈液例如可使用PGMEA(Propylene Glycol Monomethyl Ether Acetate，丙二醇甲醚醋酸酯)等含碳之有機溶劑。隨後，藉由使形成於半導體晶圓W之表面上之塗佈膜乾燥，而成膜包含摻雜劑及碳之薄膜。再者，於步驟S1之成膜步驟前，亦可利用氫氟酸等對半導體晶圓W之表面進行洗淨處理。
圖9係模式性地表示成膜有包含摻雜劑之薄膜之半導體晶圓W之剖面構造之圖。於矽半導體晶圓W之表面形成有二氧化矽(SiO2 )之自然氧化膜101。該自然氧化膜101並非有意形成，即便利用氫氟酸等進行半導體晶圓W之表面洗淨處理而將其去除，亦會於去除處理後立即開始再次生長，從而不可避免地形成。因此，包含摻雜劑之薄膜102必然會成膜於自然氧化膜101上。即，於包含摻雜劑之薄膜102與半導體晶圓W之表面之間隔著自然氧化膜101。再者，自然氧化膜101之膜厚例如約為1 nm，成膜後之薄膜102之膜厚例如約為10 nm。
繼而，將成膜有包含摻雜劑及碳之薄膜102之半導體晶圓W搬入至熱處理裝置1之腔室6內(步驟S2)。具體而言，打開閘閥185而使搬送開口部66開放，藉由裝置外部之搬送機器人經由搬送開口部66將半導體晶圓W搬入腔室6內之熱處理空間65。此時，自氣體供給部90向腔室6內供給氮氣，使氮氣自搬送開口部66流出，可將隨著半導體晶圓W之搬入而夾帶之外部氛圍抑制為最小限度。
藉由搬送機器人搬入之半導體晶圓W進入至保持部7之正上方位置並停止。隨後，藉由移載機構10之一對移載臂11自退避位置水平移動至移載動作位置並上升，頂起銷12藉由貫通孔79自晶座74之保持板75之上表面突出，從而接收半導體晶圓W。此時，頂起銷12上升至較基板支持銷77之上端更靠上方之位置。
將半導體晶圓W載置於頂起銷12後，搬送機器人自熱處理空間65退出，藉由閘閥185將搬送開口部66閉鎖。隨後，藉由使一對移載臂11下降，半導體晶圓W被從移載機構10交遞至保持部7之晶座74，並以水平姿勢被自下方保持。半導體晶圓W由豎立設置於保持板75上之複數個基板支持銷77支持，並保持於晶座74上。又，半導體晶圓W被以成膜有包含摻雜劑之薄膜102之表面作為上表面而保持於保持部7上。於由複數個基板支持銷77支持之半導體晶圓W之背面(與正面為相反側之主面)與保持板75之保持面75a之間形成特定間隔。下降至晶座74之下方之一對移載臂11藉由水平移動機構13退避至退避位置，即凹部62之內側。
又，於藉由閘閥185將搬送開口部66閉鎖而使熱處理空間65成為密閉空間後，於腔室6內形成包含氫氣之氛圍(步驟S3)。具體而言，打開閥92，自氣體供給孔81向熱處理空間65供給氫氣。此時亦同時供給氮氣，從而氫氣與氮氣之混合氣體作為處理氣體自氣體供給部90被供給。又，打開閥89，將腔室6內之氣體自氣體排氣孔86排出。藉此，自腔室6內之熱處理空間65之上部供給之處理氣體流向下方，並自熱處理空間65之下部排出，從而將腔室6內置換成包含氫氣之氛圍。腔室6內形成之包含氫氣之氛圍中之氫氣之濃度例如約為4 vol%。又，藉由打開閥192，亦將腔室6內之氣體自搬送開口部66排出。進而，藉由省略圖示之排氣機構，亦將移載機構10之驅動部周邊之氣體排出。
於腔室6內形成包含氫氣之氛圍後，利用鹵素加熱部4之鹵素燈HL執行半導體晶圓W之氫氣退火(步驟S4)。圖10係表示半導體晶圓W之表面溫度之變化之圖。於腔室6內形成包含氫氣之氛圍後，於時刻t1一齊點亮鹵素加熱部4之40根鹵素燈HL，開始半導體晶圓W之加熱。自鹵素燈HL出射之鹵素光透過由石英形成之下側腔室窗64及晶座74，自半導體晶圓W之背面照射。藉由接收來自鹵素燈HL之光照射，半導體晶圓W被加熱而溫度上升。再者，由於移載機構10之移載臂11已退避至凹部62之內側，故不會妨礙由鹵素燈HL所進行之加熱。
於利用鹵素燈HL進行加熱處理時，藉由輻射溫度計20測定半導體晶圓W之溫度。即，輻射溫度計20藉由透明窗21接收自保持於晶座74上之半導體晶圓W之下表面經由開口部78輻射之紅外光，從而測定升溫中之晶圓溫度。所測定出之半導體晶圓W之溫度被傳遞至控制部3。控制部3一面監視藉由來自鹵素燈HL之光照射而升溫之半導體晶圓W之溫度是否達到特定之退火溫度T1，一面控制鹵素燈HL之輸出。即，控制部3基於輻射溫度計20之測定值，以半導體晶圓W之溫度成為退火溫度T1之方式對鹵素燈HL之輸出進行反饋控制。氫氣退火之退火溫度T1為300℃以上600℃以下，更佳為400℃以上500℃以下。
於時刻t2半導體晶圓W之溫度達到退火溫度T1後，控制部3於預先設定之氫氣退火時間之內將半導體晶圓W維持於該退火溫度T1。具體而言，於利用輻射溫度計20測定出之半導體晶圓W之溫度達到退火溫度T1之時刻t2，控制部3調整鹵素燈HL之輸出，將半導體晶圓W之溫度維持於大致退火溫度T1，直至時刻t3為止。時刻t2至時刻t3之氫氣退火時間為1秒以上1小時以下，更佳為1分鐘以上30分鐘以下。
於利用鹵素燈HL進行加熱時，半導體晶圓W之整體均勻地升溫至退火溫度T1。於利用鹵素燈HL進行加熱之階段中，存在更易產生散熱之半導體晶圓W之周緣部之溫度較中央部降低之傾向，但鹵素加熱部4中之鹵素燈HL之配設密度為與周緣部對向之區域高於與半導體晶圓W之中央部對向之區域。因此，對易產生散熱之半導體晶圓W之周緣部照射之光量變多，從而能夠使半導體晶圓W之面內溫度分佈均勻。
藉由將於表面上隔著自然氧化膜101成膜有包含摻雜劑之薄膜102之半導體晶圓W於氫氣氛圍中加熱至退火溫度T1，二氧化矽中之摻雜劑原子之擴散速度增加。結果認為薄膜102中所含之摻雜劑原子於自然氧化膜101中擴散，並高濃度地聚集於半導體晶圓W之表面與自然氧化膜101之界面。
若退火溫度T1為600℃以下，則不存在薄膜102中所含之摻雜劑原子超過自然氧化膜101而擴散至半導體晶圓W之表面之擔憂。又，若退火溫度T1為300℃以上，則摻雜劑原子可能會於自然氧化膜101中擴散。由於此種原因，氫氣退火之退火溫度T1限定於300℃以上600℃以下。
於經過了特定之氫氣退火時間之時刻t3，對腔室6內進行減壓(步驟S5)。具體而言，關閉閥91及閥92，不進行對腔室6之氣體供給，而打開閥89排出腔室6內之氫氣氛圍，將腔室6內減壓成為小於大氣壓之氣壓。
繼而，於時刻t4開始半導體晶圓W之預加熱(輔助加熱)(步驟S6)。當進行至預加熱步驟時，控制部3增加鹵素燈HL之輸出而使其高於氫氣退火步驟之時，從而增加照射至半導體晶圓W之背面之鹵素光之強度。藉此，半導體晶圓W之溫度自退火溫度T1進一步上升。
又，於半導體晶圓W之預加熱開始後，打開閥91，自氣體供給孔81向腔室6內供給氧氣(步驟S7)。藉此，腔室6內之熱處理空間65自氫氣氛圍被置換成氧氣氛圍。將氫氣氛圍之腔室6內暫時減壓而排出氫氣後，向腔室6內供給氧氣而形成了氧氣氛圍，因此能夠順利且迅速地進行氛圍置換。可將腔室6內之氧氣濃度設為適宜之濃度，例如可為100%。腔室6內之氧氣濃度可藉由氧濃度計99進行測定。
與氫氣退火步驟同樣地，於預加熱時，控制部3亦基於輻射溫度計20之測定值，以半導體晶圓W之溫度成為特定之預加熱溫度T2之方式對鹵素燈HL之輸出進行反饋控制。預加熱溫度T2高於氫氣退火之退火溫度T1，為600℃以上1100℃以下。於半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T2後，控制部3調整鹵素燈HL之輸出，將半導體晶圓W暫時維持於該預加熱溫度T2。
於半導體晶圓W之溫度達到預加熱溫度T2並經過了特定時間之時刻t5，閃光加熱部5之閃光燈FL對保持於晶座74上之半導體晶圓W之表面進行閃光照射(步驟S8)。此時，自閃光燈FL輻射之閃光之一部分直接射向腔室6內，另一部分於暫時先由反射器52反射後射向腔室6內，藉由該等閃光之照射而進行半導體晶圓W之閃光加熱。
閃光加熱藉由來自閃光燈FL之閃光(Flash Light)照射而進行，因此能夠於短時間內使半導體晶圓W之表面溫度上升。即，自閃光燈FL照射之閃光係由預先儲存於電容器中之靜電能轉換為極短之光脈衝且照射時間為0.1毫秒以上100毫秒以下程度之極短且強之閃光。並且，藉由來自閃光燈FL之閃光照射，於包含薄膜102及自然氧化膜101之半導體晶圓W之表面瞬間升溫至峰值溫度T3後迅速降溫。峰值溫度T3高於預加熱溫度T2，且小於矽半導體晶圓W之熔點。
閃光加熱時之閃光照射時間為100毫秒以下之極短時間。因此，半導體晶圓W之表面溫度為峰值溫度T3之時間小於1秒。即，閃光加熱係將半導體晶圓W之表面以小於1秒之時間加熱至峰值溫度T3之毫秒退火。
藉由將半導體晶圓W於氧氣氛圍中預加熱至預加熱溫度T2後進行閃光加熱，聚集於半導體晶圓W之表面與自然氧化膜101之界面之摻雜劑原子擴散至半導體晶圓W之表面，並將該已擴散之摻雜劑原子活化。結果，於半導體晶圓W之表面形成摻雜劑之擴散層。
又，與此同時，藉由將成膜有包含摻雜劑及碳之薄膜102之半導體晶圓W於氧氣氛圍中預加熱至預加熱溫度T2後進行閃光加熱，而促進薄膜102中之碳與氛圍中之氧之結合，薄膜102中之碳以二氧化碳(CO2 )之形式自薄膜102排出。其結果，能夠防止因加熱處理導致之薄膜102之硬化。
如此，於本實施形態中，藉由氧氣氛圍中之閃光加熱，同時進行摻雜劑之導入及活化和薄膜102中之碳與氧之結合。藉此，可於半導體晶圓W之表面上形成摻雜劑之擴散層，並可防止薄膜102之硬化。
於閃光加熱處理結束後，亦將鹵素燈HL熄滅，藉此半導體晶圓W之溫度迅速下降。又，將腔室6內再次減壓而排出氧氣氛圍，並將腔室6內置換成氮氣氛圍。降溫中之半導體晶圓W之溫度利用輻射溫度計20進行測定，並將其測定結果傳遞至控制部3。控制部3根據輻射溫度計20之測定結果監視半導體晶圓W之溫度是否降溫至特定溫度。並且，於半導體晶圓W之溫度降溫至特定以下後，移載機構10之一對移載臂11再次自退避位置水平移動至移載動作位置並上升，藉此頂起銷12自晶座74之上表面突出，自晶座74接收熱處理後之半導體晶圓W。繼而，打開由閘閥185閉鎖之搬送開口部66，藉由裝置外部之搬送機器人將載置於頂起銷12上之半導體晶圓W搬出，熱處理裝置1中之半導體晶圓W之加熱處理結束(步驟S9)。
針對自熱處理裝置1之腔室6搬出之半導體晶圓W進行無用之薄膜102之剝離處理(步驟S10)。作為剝離處理，可採用濕式或乾式之公知之各種方法。使薄膜102中之碳與氛圍中之氧結合，防止薄膜102之硬化，因此可容易地剝離薄膜102。
於本實施形態中，藉由在氧氣氛圍中對成膜有包含摻雜劑及碳之薄膜102之半導體晶圓W進行加熱，而將摻雜劑活化並促進薄膜102中之碳與氛圍中之氧之結合，將碳自薄膜102排出，防止薄膜102之硬化。結果可容易地將含碳之薄膜102自半導體晶圓W剝離。
又，於進行氧氣氛圍中之加熱處理前，於氫氣氛圍中進行半導體晶圓W之退火處理。藉此，能夠於進行閃光加熱前使摻雜劑高濃度地聚集於半導體晶圓W之表面與自然氧化膜101之界面，從而能夠於閃光加熱時容易地將摻雜劑導入至半導體晶圓W之表面。
以上，對本發明之實施形態進行了說明，但本發明可於不脫離其主旨之範圍內進行除上述說明以外之各種變更。例如，於上述實施形態中，自氣體供給部90向腔室6內供給氧氣而形成了氧化氛圍，但亦可取而代之，自氣體供給部90供給臭氧(O3 )或氮氧化物(NOx )而形成氧化氛圍。氮氧化物包含一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N2 O)、二氧化氮(NO2 )。即，只要向腔室6內供給包含選自由氧氣、臭氧及氮氧化物所組成之群中之1種氣體之氧化性氣體而形成氧化氛圍即可。或者，亦可向腔室6內供給氧自由基、水蒸氣等而形成氧化氛圍。藉由在上述氧化氛圍中對成膜有包含摻雜劑及碳之薄膜102之半導體晶圓W進行加熱，能夠促進薄膜102中之碳之氧化並將碳自薄膜102排出，從而能夠容易地將薄膜102自半導體晶圓W剝離。
又，閃光燈FL亦可對成膜有薄膜102之半導體晶圓W照射包含紫外線光之閃光。所謂包含紫外線光之閃光，係指於光譜分佈中具有波長400 nm以下之峰值之閃光。藉由在氧化氛圍中對成膜有薄膜102之半導體晶圓W照射包含紫外線光之閃光，能夠促進碳之氧化，並利用紫外線光之化學反應進行薄膜102之灰化處理。藉此，能夠更容易地將含碳之薄膜102自半導體晶圓W剝離。
藉由選擇合適之氧化性氣體，並使氧化氛圍中之加熱處理之條件最佳化，亦可利用加熱處理將整個含碳之薄膜102分解。如此，可省略步驟S10之剝離處理，從而削減步驟數。
又，於上述實施形態中，於預加熱及閃光加熱前於氫氣氛圍中進行了半導體晶圓W之退火處理，但亦可取而代之，於氮氣氛圍中進行半導體晶圓W之退火處理。但是，若為氫氣氛圍，則二氧化矽中之摻雜劑原子之擴散速度增加，因此摻雜劑原子能夠更迅速地於自然氧化膜101中擴散。
又，於上述實施形態中，於閃光加熱部5中具備30根閃光燈FL，但並不限定於此，閃光燈FL之根數可設為任意數量。又，閃光燈FL並不限定於氙氣閃光燈，亦可為氪氣閃光燈。又，鹵素加熱部4中具備之鹵素燈HL之根數亦並不限定於40根，可設為任意數量。
又，於上述實施形態中，使用燈絲方式之鹵素燈HL作為連續發光1秒以上之連續點亮燈進行半導體晶圓W之氫氣退火及預加熱，但並不限定於此，亦可使用放電型弧光燈(例如氙氣弧光燈)代替鹵素燈HL作為連續點亮燈，進行氫氣退火及預加熱。
1:熱處理裝置 3:控制部 4:鹵素加熱部 5:閃光加熱部 6:腔室 7:保持部 10:移載機構 11:移載臂 12:頂起銷 13:水平移動機構 14:升降機構 20:輻射溫度計 21:透明窗 41:殼體 51:殼體 52:反射器 53:燈光輻射窗 61:筒狀腔室側部 61a:貫通孔 62:凹部 63:上側腔室窗 64:下側腔室窗 65:熱處理空間 66:搬送開口部 68:反射環 69:反射環 71:基台環 72:連結部 74:晶座 75:保持板 75a:保持面 76:導環 77:基板支持銷 78:開口部 79:貫通孔 81:氣體供給孔 82:緩衝空間 83:供給配管 86:氣體排氣孔 87:緩衝空間 88:氣體排氣管 89:閥 90:氣體供給部 91:閥 92:閥 93:氧氣供給源 94:氫氣供給源 99:氧濃度計 101:自然氧化膜 102:薄膜 190:排氣部 191:氣體排氣管 192:閥 FL:閃光燈 HL:鹵素燈 t1:時刻 t2:時刻 t3:時刻 t4:時刻 t5:時刻 T1:退火溫度 T2:預加熱溫度 T3:峰值溫度 W:半導體晶圓
圖1係表示本發明之熱處理裝置之構成之縱剖視圖。 圖2係表示保持部之整體外觀之立體圖。 圖3係晶座之俯視圖。 圖4係晶座之剖視圖。 圖5係移載機構之俯視圖。 圖6係移載機構之側視圖。 圖7係表示複數個鹵素燈之配置之俯視圖。 圖8係表示本發明之熱處理方法之順序之流程圖。 圖9係模式性地表示成膜有包含摻雜劑之薄膜之半導體晶圓之剖面構造之圖。 圖10係表示半導體晶圓之表面溫度之變化之圖。
t1:時刻
t2:時刻
t3:時刻
t4:時刻
t5:時刻
T1:退火溫度
T2:預加熱溫度
T3:峰值溫度

Claims (8)

  1. 一種熱處理方法，其特徵在於，藉由對基板照射光而對該基板進行加熱，且具備：收容步驟，其係將形成有包含摻雜劑及碳之薄膜之基板收容於腔室內；氧化氛圍形成步驟，其係向上述腔室內供給氧化性氣體，從而形成氧化氛圍；及加熱步驟，其係對上述基板照射光，從而對上述基板進行加熱；且上述加熱步驟包含：預加熱步驟，其係自連續點亮燈向上述基板照射光；及閃光加熱步驟，其係於上述預加熱步驟之後，自閃光燈向上述基板照射閃光；於上述預加熱步驟之中途開始向上述腔室內供給上述氧化性氣體。
  2. 如請求項1之熱處理方法，其中上述加熱步驟進而包含退火步驟，該退火步驟係於上述預加熱步驟前，藉由來自上述連續點亮燈之光照射將上述基板維持於較上述預加熱步驟中之上述基板之溫度低之溫度，上述退火步驟係於上述腔室內形成氫氣氛圍或氮氣氛圍而進行。
  3. 如請求項1之熱處理方法，其中於上述閃光加熱步驟中，對上述基板照射包含紫外線光之閃光。
  4. 如請求項1至3中任一項之熱處理方法，其中上述氧化性氣體包含選自由氧氣、臭氧及氮氧化物所組成之群中之1種氣體。
  5. 一種熱處理裝置，其特徵在於，藉由對基板照射光而對該基板進行加熱，且具備：腔室，其收容形成有包含摻雜劑及碳之薄膜之基板；氣體供給部，其向上述腔室內供給氧化性氣體，從而形成氧化氛圍；及光照射部，其對上述基板照射光，從而對上述基板進行加熱；且上述光照射部包含：連續點亮燈，其對上述基板照射光而對上述基板進行預加熱；及閃光燈，其於上述預加熱後對上述基板照射閃光；上述氣體供給部於上述預加熱之中途開始向上述腔室內供給上述氧化性氣體。
  6. 如請求項5之熱處理裝置，其中於上述預加熱之前，於上述腔室內形成氫氣氛圍或氮氣氛圍，並藉由來自上述連續點亮燈之光照射將上述基板維持於較上述預加熱中之上述基板之溫度低之溫度。
  7. 如請求項5之熱處理裝置，其中 上述閃光燈對上述基板照射包含紫外線光之閃光。
  8. 如請求項5至7中任一項之熱處理裝置，其中上述氧化性氣體包含選自由氧氣、臭氧及氮氧化物所組成之群中之1種氣體。
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