WO2019181048A1 - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

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WO2019181048A1
WO2019181048A1 PCT/JP2018/039902 JP2018039902W WO2019181048A1 WO 2019181048 A1 WO2019181048 A1 WO 2019181048A1 JP 2018039902 W JP2018039902 W JP 2018039902W WO 2019181048 A1 WO2019181048 A1 WO 2019181048A1
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WO
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heat treatment
semiconductor wafer
temperature
substrate
lamp
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PCT/JP2018/039902
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English (en)
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Inventor
晃頌 上田
英昭 谷村
Original Assignee
株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/265—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation

Definitions

  • the present invention relates to a heat treatment method and a heat treatment for activating impurities by irradiating light onto a thin plate precision electronic substrate (hereinafter simply referred to as “substrate”) such as a semiconductor wafer into which impurities are implanted. Relates to the device.
  • substrate such as a semiconductor wafer into which impurities are implanted.
  • impurity introduction is an essential step for forming a pn junction in a semiconductor wafer.
  • impurities are generally introduced by ion implantation and subsequent annealing.
  • the ion implantation method is a technique in which impurity elements such as boron (B), arsenic (As), and phosphorus (P) are ionized and collided with a semiconductor wafer at a high acceleration voltage to physically perform impurity implantation.
  • the implanted impurities are activated by annealing. At this time, if the annealing time is about several seconds or more, the implanted impurities are deeply diffused by heat, and as a result, the junction depth becomes deeper than required, and there is a possibility that good device formation may be hindered.
  • Flash lamp annealing is a semiconductor wafer in which impurities are implanted by irradiating the surface of the semiconductor wafer with flash light using a xenon flash lamp (hereinafter, simply referred to as “flash lamp” means xenon flash lamp). Is a heat treatment technique for raising the temperature of only the surface of the material in a very short time (several milliseconds or less).
  • Xenon flash lamp radiation spectral distribution is from the ultraviolet to the near infrared, shorter in wavelength than conventional halogen lamps, and almost coincides with the fundamental absorption band of silicon semiconductor wafers. Therefore, when the semiconductor wafer is irradiated with flash light from the xenon flash lamp, the semiconductor wafer can be rapidly heated with little transmitted light. Further, it has been found that if the flash light irradiation is performed for a very short time of several milliseconds or less, only the vicinity of the surface of the semiconductor wafer can be selectively heated. For this reason, if the temperature is raised for a very short time by the xenon flash lamp, only the impurity activation can be performed without deeply diffusing the impurities.
  • Patent Document 1 discloses a flash lamp annealing apparatus that preheats a semiconductor wafer with a halogen lamp disposed below a processing chamber and then irradiates the surface of the semiconductor wafer with flash light from a flash lamp disposed above the processing chamber. Is disclosed.
  • the surface of the wafer is instantaneously heated to 1000 ° C. or higher by irradiating flash light while the semiconductor wafer into which impurities are implanted is heated to a predetermined preheating temperature by a halogen lamp. Impurities are activated by raising the processing temperature.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a heat treatment method and a heat treatment apparatus capable of diffusing and injecting impurities implanted into a substrate to a specified depth and activating them. To do.
  • a first aspect of the present invention is a heat treatment method in which a substrate into which impurities are implanted is irradiated with light to heat the substrate and activate the impurities.
  • the target temperature is 750 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.
  • the substrate in the heat treatment method according to the second aspect, in the temperature maintaining step, the substrate is maintained at the target temperature for 1 second or more and 4 seconds or less.
  • the chamber is accommodated in the heat treatment apparatus that activates the impurities. Further, a continuous lighting lamp that irradiates the substrate with light and heats it to a target temperature, a flash lamp that irradiates flash light onto the substrate housed in the chamber, and controls light emission of the continuous lighting lamp and the flash lamp.
  • control unit wherein the control unit maintains the substrate heated to the target temperature by light irradiation from the continuous lighting lamp at the target temperature for a predetermined time, and then turns off the continuous lighting lamp or the While lowering the temperature of the substrate from the target temperature by reducing the intensity of light emitted from the continuous lighting lamp, Controlling the emission of the continuous lighting lamp and the flash lamp so as to irradiate the flash light to the plate.
  • the target temperature is 750 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.
  • a sixth aspect is characterized in that, in the heat treatment apparatus according to the fifth aspect, the control unit maintains the substrate at the target temperature for 1 second or more and 4 seconds or less.
  • the temperature of the substrate is raised to the target temperature by light irradiation from the continuous lighting lamp and maintained for a predetermined time, so that the impurities implanted into the substrate have a specified depth.
  • the flash lamp irradiates the substrate with flash light while the substrate cools down from the target temperature, thus completely preventing further diffusion of impurities diffused to the specified depth. Impurities can be activated.
  • the temperature of the substrate is raised to the target temperature by irradiation with light from the continuous lighting lamp and maintained for a predetermined time, so that the impurities implanted into the substrate have a specified depth.
  • the flash lamp irradiates the substrate with flash light while the substrate cools down from the target temperature, thus completely preventing further diffusion of impurities diffused to the specified depth. Impurities can be activated.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a heat treatment apparatus 1 according to the present invention.
  • a heat treatment apparatus 1 in FIG. 1 is a flash lamp annealing apparatus that heats a semiconductor wafer W by irradiating a disk-shaped semiconductor wafer W as a substrate with flash light irradiation.
  • the size of the semiconductor wafer W to be processed is not particularly limited, but is, for example, ⁇ 300 mm or ⁇ 450 mm ( ⁇ 300 mm in this embodiment).
  • Impurities are implanted into the semiconductor wafer W before being carried into the heat treatment apparatus 1, and diffusion and activation processes of the implanted impurities by the heat treatment by the heat treatment apparatus 1 are performed.
  • the size and number of each part are exaggerated or simplified as necessary for easy understanding.
  • the heat treatment apparatus 1 includes a chamber 6 that accommodates a semiconductor wafer W, a flash heating unit 5 that houses a plurality of flash lamps FL, and a halogen heating unit 4 that houses a plurality of halogen lamps HL.
  • a flash heating unit 5 is provided on the upper side of the chamber 6, and a halogen heating unit 4 is provided on the lower side.
  • the heat treatment apparatus 1 includes a holding unit 7 that holds the semiconductor wafer W in a horizontal posture inside the chamber 6, and a transfer mechanism 10 that transfers the semiconductor wafer W between the holding unit 7 and the outside of the apparatus, Is provided.
  • the heat treatment apparatus 1 includes a control unit 3 that controls the operation mechanisms provided in the halogen heating unit 4, the flash heating unit 5, and the chamber 6 to perform the heat treatment of the semiconductor wafer W.
  • the chamber 6 is configured by mounting quartz chamber windows on the upper and lower sides of the cylindrical chamber side portion 61.
  • the chamber side portion 61 has a substantially cylindrical shape with upper and lower openings.
  • the upper opening is closed by an upper chamber window 63 and the lower opening is closed by a lower chamber window 64.
  • the upper chamber window 63 constituting the ceiling of the chamber 6 is a disk-shaped member made of quartz and functions as a quartz window that transmits the flash light emitted from the flash heating unit 5 into the chamber 6.
  • the lower chamber window 64 constituting the floor portion of the chamber 6 is also a disk-shaped member made of quartz and functions as a quartz window that transmits light from the halogen heating unit 4 into the chamber 6.
  • a reflection ring 68 is attached to the upper part of the inner wall surface of the chamber side part 61, and a reflection ring 69 is attached to the lower part.
  • the reflection rings 68 and 69 are both formed in an annular shape.
  • the upper reflecting ring 68 is attached by fitting from above the chamber side portion 61.
  • the lower reflection ring 69 is mounted by being fitted from the lower side of the chamber side portion 61 and fastened with a screw (not shown). That is, the reflection rings 68 and 69 are both detachably attached to the chamber side portion 61.
  • An inner space of the chamber 6, that is, a space surrounded by the upper chamber window 63, the lower chamber window 64, the chamber side portion 61, and the reflection rings 68 and 69 is defined as a heat treatment space 65.
  • the recesses 62 are formed on the inner wall surface of the chamber 6 by attaching the reflection rings 68 and 69 to the chamber side portion 61. That is, a recess 62 surrounded by a central portion of the inner wall surface of the chamber side portion 61 where the reflection rings 68 and 69 are not mounted, a lower end surface of the reflection ring 68, and an upper end surface of the reflection ring 69 is formed. .
  • the recess 62 is formed in an annular shape along the horizontal direction on the inner wall surface of the chamber 6, and surrounds the holding portion 7 that holds the semiconductor wafer W.
  • the chamber side portion 61 and the reflection rings 68 and 69 are formed of a metal material (for example, stainless steel) having excellent strength and heat resistance.
  • the chamber side portion 61 is formed with a transfer opening (furnace port) 66 for carrying the semiconductor wafer W into and out of the chamber 6.
  • the transfer opening 66 can be opened and closed by a gate valve 185.
  • the transport opening 66 is connected to the outer peripheral surface of the recess 62. Therefore, when the gate valve 185 opens the transfer opening 66, the semiconductor wafer W is carried into the heat treatment space 65 through the recess 62 from the transfer opening 66 and the semiconductor wafer W is carried out from the heat treatment space 65. It can be performed. Further, when the gate valve 185 closes the transfer opening 66, the heat treatment space 65 in the chamber 6 becomes a sealed space.
  • a through hole 61a is formed in the chamber side portion 61.
  • a radiation thermometer 20 is attached to a portion of the outer wall surface of the chamber side portion 61 where the through hole 61a is provided.
  • the through hole 61 a is a cylindrical hole for guiding infrared light emitted from the lower surface of the semiconductor wafer W held by a susceptor 74 described later to the radiation thermometer 20.
  • the through hole 61 a is provided to be inclined with respect to the horizontal direction so that the axis in the through direction intersects the main surface of the semiconductor wafer W held by the susceptor 74.
  • a transparent window 21 made of a barium fluoride material that transmits infrared light in a wavelength region that can be measured by the radiation thermometer 20 is attached to the end of the through hole 61a facing the heat treatment space 65.
  • a gas supply hole 81 for supplying a processing gas to the heat treatment space 65 is formed in the upper portion of the inner wall of the chamber 6.
  • the gas supply hole 81 is formed at a position above the recess 62 and may be provided in the reflection ring 68.
  • the gas supply hole 81 is connected to a gas supply pipe 83 through a buffer space 82 formed in an annular shape inside the side wall of the chamber 6.
  • the gas supply pipe 83 is connected to a processing gas supply source 85.
  • a valve 84 is inserted in the middle of the path of the gas supply pipe 83. When the valve 84 is opened, the processing gas is supplied from the processing gas supply source 85 to the buffer space 82.
  • the processing gas flowing into the buffer space 82 flows so as to expand in the buffer space 82 having a smaller fluid resistance than the gas supply hole 81 and is supplied from the gas supply hole 81 into the heat treatment space 65.
  • an inert gas such as nitrogen (N 2 ), a reactive gas such as hydrogen (H 2 ) or ammonia (NH 3 ), or a mixed gas obtained by mixing them can be used. Nitrogen gas in the embodiment).
  • a gas exhaust hole 86 for exhausting the gas in the heat treatment space 65 is formed in the lower portion of the inner wall of the chamber 6.
  • the gas exhaust hole 86 is formed at a position lower than the recess 62 and may be provided in the reflection ring 69.
  • the gas exhaust hole 86 is connected to a gas exhaust pipe 88 through a buffer space 87 formed in an annular shape inside the side wall of the chamber 6.
  • the gas exhaust pipe 88 is connected to the exhaust unit 190.
  • a valve 89 is inserted in the middle of the path of the gas exhaust pipe 88. When the valve 89 is opened, the gas in the heat treatment space 65 is discharged from the gas exhaust hole 86 to the gas exhaust pipe 88 through the buffer space 87.
  • a plurality of gas supply holes 81 and gas exhaust holes 86 may be provided along the circumferential direction of the chamber 6 or may be slit-shaped. Further, the processing gas supply source 85 and the exhaust unit 190 may be a mechanism provided in the heat treatment apparatus 1 or may be a utility of a factory where the heat treatment apparatus 1 is installed.
  • a gas exhaust pipe 191 for discharging the gas in the heat treatment space 65 is connected to the tip of the transfer opening 66.
  • the gas exhaust pipe 191 is connected to the exhaust unit 190 via a valve 192. By opening the valve 192, the gas in the chamber 6 is exhausted through the transfer opening 66.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the overall appearance of the holding unit 7.
  • the holding part 7 includes a base ring 71, a connecting part 72, and a susceptor 74.
  • the base ring 71, the connecting portion 72, and the susceptor 74 are all made of quartz. That is, the whole holding part 7 is made of quartz.
  • the base ring 71 is an arc-shaped quartz member in which a part is omitted from the annular shape. This missing portion is provided to prevent interference between a transfer arm 11 and a base ring 71 of the transfer mechanism 10 described later.
  • the base ring 71 is supported on the wall surface of the chamber 6 by being placed on the bottom surface of the recess 62 (see FIG. 1).
  • On the upper surface of the base ring 71 a plurality of connecting portions 72 (four in this embodiment) are erected along the annular circumferential direction.
  • the connecting portion 72 is also a quartz member, and is fixed to the base ring 71 by welding.
  • FIG. 3 is a plan view of the susceptor 74.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the susceptor 74.
  • the susceptor 74 includes a holding plate 75, a guide ring 76, and a plurality of substrate support pins 77.
  • the holding plate 75 is a substantially circular flat plate member made of quartz. The diameter of the holding plate 75 is larger than the diameter of the semiconductor wafer W. That is, the holding plate 75 has a larger planar size than the semiconductor wafer W.
  • a guide ring 76 is installed on the periphery of the upper surface of the holding plate 75.
  • the guide ring 76 is an annular member having an inner diameter larger than the diameter of the semiconductor wafer W. For example, when the diameter of the semiconductor wafer W is ⁇ 300 mm, the inner diameter of the guide ring 76 is ⁇ 320 mm.
  • the inner periphery of the guide ring 76 has a tapered surface that widens upward from the holding plate 75.
  • the guide ring 76 is formed of quartz similar to the holding plate 75.
  • the guide ring 76 may be welded to the upper surface of the holding plate 75, or may be fixed to the holding plate 75 with a separately processed pin or the like. Alternatively, the holding plate 75 and the guide ring 76 may be processed as an integral member.
  • the region inside the guide ring 76 on the upper surface of the holding plate 75 is a flat holding surface 75a for holding the semiconductor wafer W.
  • a plurality of substrate support pins 77 are provided upright on the holding surface 75 a of the holding plate 75.
  • a total of twelve substrate support pins 77 are erected every 30 ° along a circumference concentric with the outer circumference of the holding surface 75a (the inner circumference of the guide ring 76).
  • the diameter of the circle on which the 12 substrate support pins 77 are arranged is smaller than the diameter of the semiconductor wafer W.
  • Each substrate support pin 77 is made of quartz.
  • the plurality of substrate support pins 77 may be provided on the upper surface of the holding plate 75 by welding, or may be processed integrally with the holding plate 75.
  • the four connecting portions 72 erected on the base ring 71 and the peripheral portion of the holding plate 75 of the susceptor 74 are fixed by welding. That is, the susceptor 74 and the base ring 71 are fixedly connected by the connecting portion 72.
  • the holding unit 7 is attached to the chamber 6.
  • the holding plate 75 of the susceptor 74 is in a horizontal posture (a posture in which the normal line matches the vertical direction). That is, the holding surface 75a of the holding plate 75 is a horizontal plane.
  • the semiconductor wafer W carried into the chamber 6 is placed and held in a horizontal posture on the susceptor 74 of the holding unit 7 attached to the chamber 6.
  • the semiconductor wafer W is supported by twelve substrate support pins 77 erected on the holding plate 75 and held by the susceptor 74. More precisely, the upper ends of the twelve substrate support pins 77 are in contact with the lower surface of the semiconductor wafer W to support the semiconductor wafer W. Since the height of the 12 substrate support pins 77 (the distance from the upper end of the substrate support pin 77 to the holding surface 75a of the holding plate 75) is uniform, the semiconductor wafer W is placed in a horizontal posture by the 12 substrate support pins 77. Can be supported.
  • the semiconductor wafer W is supported by the plurality of substrate support pins 77 at a predetermined interval from the holding surface 75a of the holding plate 75.
  • the thickness of the guide ring 76 is greater than the height of the substrate support pins 77. Accordingly, the horizontal displacement of the semiconductor wafer W supported by the plurality of substrate support pins 77 is prevented by the guide ring 76.
  • the holding plate 75 of the susceptor 74 has an opening 78 penetrating vertically.
  • the opening 78 is provided for the radiation thermometer 20 to receive radiated light (infrared light) emitted from the lower surface of the semiconductor wafer W. That is, the radiation thermometer 20 receives light emitted from the lower surface of the semiconductor wafer W through the transparent window 21 attached to the opening 78 and the through-hole 61a of the chamber side portion 61, and determines the temperature of the semiconductor wafer W. taking measurement.
  • the holding plate 75 of the susceptor 74 is provided with four through holes 79 through which lift pins 12 of the transfer mechanism 10 to be described later penetrate for the delivery of the semiconductor wafer W.
  • FIG. 5 is a plan view of the transfer mechanism 10.
  • FIG. 6 is a side view of the transfer mechanism 10.
  • the transfer mechanism 10 includes two transfer arms 11.
  • the transfer arm 11 has an arc shape that follows the generally annular recess 62.
  • Two lift pins 12 are erected on each transfer arm 11.
  • the transfer arm 11 and the lift pin 12 are made of quartz.
  • Each transfer arm 11 can be rotated by a horizontal movement mechanism 13.
  • the horizontal movement mechanism 13 includes a transfer operation position (a position indicated by a solid line in FIG. 5) for transferring the pair of transfer arms 11 to the holding unit 7 and the semiconductor wafer W held by the holding unit 7. It is moved horizontally between the retracted positions (two-dot chain line positions in FIG. 5) that do not overlap in plan view.
  • each transfer arm 11 may be rotated by an individual motor, or a pair of transfer arms 11 may be interlocked by a single motor using a link mechanism. It may be moved.
  • the pair of transfer arms 11 is moved up and down together with the horizontal moving mechanism 13 by the lifting mechanism 14.
  • the elevating mechanism 14 raises the pair of transfer arms 11 at the transfer operation position, a total of four lift pins 12 pass through the through holes 79 (see FIGS. 2 and 3) formed in the susceptor 74, and the lift pins The upper end of 12 protrudes from the upper surface of the susceptor 74.
  • the elevating mechanism 14 lowers the pair of transfer arms 11 at the transfer operation position, the lift pins 12 are extracted from the through holes 79, and the horizontal movement mechanism 13 moves the pair of transfer arms 11 so as to open each of them.
  • the transfer arm 11 moves to the retracted position.
  • the retracted position of the pair of transfer arms 11 is directly above the base ring 71 of the holding unit 7. Since the base ring 71 is placed on the bottom surface of the recess 62, the retracted position of the transfer arm 11 is inside the recess 62. Note that an exhaust mechanism (not shown) is also provided in the vicinity of a portion where the drive unit (the horizontal movement mechanism 13 and the lifting mechanism 14) of the transfer mechanism 10 is provided, and the atmosphere around the drive unit of the transfer mechanism 10 is provided. Is discharged to the outside of the chamber 6.
  • the flash heating unit 5 provided above the chamber 6 includes a light source including a plurality of (30 in the present embodiment) xenon flash lamps FL inside the housing 51, and an upper part of the light source. And a reflector 52 provided so as to cover.
  • a lamp light emission window 53 is mounted on the bottom of the casing 51 of the flash heating unit 5.
  • the lamp light emission window 53 constituting the floor of the flash heating unit 5 is a plate-like quartz window made of quartz.
  • Each of the plurality of flash lamps FL is a rod-shaped lamp having a long cylindrical shape, and the longitudinal direction of each of the flash lamps FL is along the main surface of the semiconductor wafer W held by the holding unit 7 (that is, along the horizontal direction). They are arranged in a plane so as to be parallel to each other. Therefore, the plane formed by the arrangement of the flash lamps FL is also a horizontal plane. The region where the plurality of flash lamps FL are arranged is larger than the planar size of the semiconductor wafer W.
  • the xenon flash lamp FL includes a cylindrical glass tube (discharge tube) in which xenon gas is sealed and a positive electrode and a negative electrode connected to a capacitor at both ends thereof, and an outer peripheral surface of the glass tube. And an attached trigger electrode. Since xenon gas is electrically an insulator, even if electric charges are accumulated in the capacitor, electricity does not flow into the glass tube in a normal state. However, when the insulation is broken by applying a high voltage to the trigger electrode, the electricity stored in the capacitor flows instantaneously in the glass tube, and light is emitted by excitation of atoms or molecules of xenon at that time.
  • the electrostatic energy previously stored in the capacitor is converted into an extremely short light pulse of 0.1 to 100 milliseconds, so that the continuous lighting such as the halogen lamp HL is possible. It has the feature that it can irradiate extremely strong light compared to the light source. That is, the flash lamp FL is a pulse light emitting lamp that emits light instantaneously in an extremely short time of less than 1 second. The light emission time of the flash lamp FL can be adjusted by the coil constant of the lamp power source that supplies power to the flash lamp FL.
  • the reflector 52 is provided above the plurality of flash lamps FL so as to cover the whole.
  • the basic function of the reflector 52 is to reflect the flash light emitted from the plurality of flash lamps FL toward the heat treatment space 65.
  • the reflector 52 is formed of an aluminum alloy plate, and the surface (the surface facing the flash lamp FL) is roughened by blasting.
  • the halogen heating unit 4 provided below the chamber 6 incorporates a plurality (40 in the present embodiment) of halogen lamps HL inside the housing 41.
  • the halogen heating unit 4 is a light irradiation unit that heats the semiconductor wafer W by irradiating the heat treatment space 65 from below the chamber 6 through the lower chamber window 64 with a plurality of halogen lamps HL.
  • FIG. 7 is a plan view showing the arrangement of a plurality of halogen lamps HL.
  • Forty halogen lamps HL are arranged in two upper and lower stages. Twenty halogen lamps HL are arranged on the upper stage close to the holding unit 7, and twenty halogen lamps HL are arranged on the lower stage farther from the holding unit 7 than the upper stage.
  • Each halogen lamp HL is a rod-shaped lamp having a long cylindrical shape.
  • the 20 halogen lamps HL in both the upper and lower stages are arranged so that their longitudinal directions are parallel to each other along the main surface of the semiconductor wafer W held by the holding unit 7 (that is, along the horizontal direction). Yes. Therefore, the plane formed by the arrangement of the halogen lamps HL in both the upper stage and the lower stage is a horizontal plane.
  • the arrangement density of the halogen lamps HL in the region facing the peripheral portion is higher than the region facing the central portion of the semiconductor wafer W held by the holding portion 7 in both the upper stage and the lower stage. Yes. That is, in both the upper and lower stages, the arrangement pitch of the halogen lamps HL is shorter in the peripheral part than in the central part of the lamp array. For this reason, it is possible to irradiate a larger amount of light to the peripheral portion of the semiconductor wafer W where the temperature is likely to decrease during heating by light irradiation from the halogen heating unit 4.
  • the lamp group composed of the upper halogen lamp HL and the lamp group composed of the lower halogen lamp HL are arranged so as to intersect in a lattice pattern. That is, a total of 40 halogen lamps HL are arranged so that the longitudinal direction of the 20 halogen lamps HL arranged in the upper stage and the longitudinal direction of the 20 halogen lamps HL arranged in the lower stage are orthogonal to each other. Yes.
  • the halogen lamp HL is a filament-type light source that emits light by making the filament incandescent by energizing the filament disposed inside the glass tube. Inside the glass tube, a gas obtained by introducing a trace amount of a halogen element (iodine, bromine, etc.) into an inert gas such as nitrogen or argon is enclosed. By introducing a halogen element, it is possible to set the filament temperature to a high temperature while suppressing breakage of the filament. Therefore, the halogen lamp HL has a characteristic that it has a longer life than a normal incandescent bulb and can continuously radiate strong light. That is, the halogen lamp HL is a continuous lighting lamp that emits light continuously for at least one second. Further, since the halogen lamp HL is a rod-shaped lamp, it has a long life, and by arranging the halogen lamp HL along the horizontal direction, the radiation efficiency to the upper semiconductor wafer W becomes excellent.
  • a halogen element io
  • a reflector 43 is also provided in the housing 41 of the halogen heating unit 4 below the two-stage halogen lamp HL (FIG. 1). The reflector 43 reflects the light emitted from the plurality of halogen lamps HL toward the heat treatment space 65.
  • the control unit 3 controls the various operation mechanisms provided in the heat treatment apparatus 1.
  • the control unit 3 controls the light emission of the halogen lamp HL and the flash lamp FL.
  • the configuration of the control unit 3 as hardware is the same as that of a general computer. That is, the control unit 3 includes a CPU that is a circuit that performs various arithmetic processes, a ROM that is a read-only memory that stores basic programs, a RAM that is a readable and writable memory that stores various information, control software, data, and the like. It has a magnetic disk to store.
  • the processing in the heat treatment apparatus 1 proceeds as the CPU of the control unit 3 executes a predetermined processing program.
  • the heat treatment apparatus 1 prevents an excessive temperature rise in the halogen heating unit 4, the flash heating unit 5, and the chamber 6 due to thermal energy generated from the halogen lamp HL and the flash lamp FL during the heat treatment of the semiconductor wafer W. Therefore, various cooling structures are provided.
  • the wall of the chamber 6 is provided with a water-cooled tube (not shown).
  • the halogen heating unit 4 and the flash heating unit 5 have an air cooling structure in which a gas flow is formed inside to exhaust heat. Air is also supplied to the gap between the upper chamber window 63 and the lamp light emission window 53 to cool the flash heating unit 5 and the upper chamber window 63.
  • the semiconductor wafer W to be processed here is a silicon semiconductor substrate to which impurities (ions) such as boron (B), arsenic (As), and phosphorus (P) are added by an ion implantation method.
  • impurities ions
  • B boron
  • As arsenic
  • P phosphorus
  • the diffusion and activation of the impurities are performed by heat treatment by the heat treatment apparatus 1.
  • the processing procedure of the heat treatment apparatus 1 described below proceeds by the control unit 3 controlling each operation mechanism of the heat treatment apparatus 1.
  • the air supply valve 84 is opened, and the exhaust valves 89 and 192 are opened to start the supply and exhaust of air into the chamber 6.
  • the valve 84 is opened, nitrogen gas is supplied from the gas supply hole 81 to the heat treatment space 65.
  • the valve 89 is opened, the gas in the chamber 6 is exhausted from the gas exhaust hole 86. Thereby, the nitrogen gas supplied from the upper part of the heat treatment space 65 in the chamber 6 flows downward and is exhausted from the lower part of the heat treatment space 65.
  • valve 192 when the valve 192 is opened, the gas in the chamber 6 is exhausted from the transfer opening 66 as well. Further, the atmosphere around the drive unit of the transfer mechanism 10 is also exhausted by an exhaust mechanism (not shown). Note that nitrogen gas is continuously supplied to the heat treatment space 65 during the heat treatment of the semiconductor wafer W in the heat treatment apparatus 1, and the supply amount is appropriately changed according to the treatment process.
  • the gate valve 185 is opened to open the transfer opening 66, and the semiconductor wafer W after the impurity implantation is carried into the heat treatment space 65 in the chamber 6 through the transfer opening 66 by the transfer robot outside the apparatus.
  • the atmosphere outside the apparatus is involved with the carry-in of the semiconductor wafer W.
  • the nitrogen gas since the nitrogen gas is continuously supplied to the chamber 6, the nitrogen gas flows out from the transfer opening 66, and so on. It is possible to suppress the entrainment of a simple external atmosphere to a minimum.
  • the semiconductor wafer W carried in by the carrying robot advances to a position directly above the holding unit 7 and stops. Then, when the pair of transfer arms 11 of the transfer mechanism 10 moves horizontally from the retracted position to the transfer operation position and rises, the lift pin 12 protrudes from the upper surface of the holding plate 75 of the susceptor 74 through the through hole 79. The semiconductor wafer W is received. At this time, the lift pins 12 ascend above the upper ends of the substrate support pins 77.
  • the transfer robot leaves the heat treatment space 65 and the transfer opening 66 is closed by the gate valve 185.
  • the semiconductor wafer W is transferred from the transfer mechanism 10 to the susceptor 74 of the holding unit 7 and held from below in a horizontal posture.
  • the semiconductor wafer W is supported by a plurality of substrate support pins 77 erected on the holding plate 75 and held by the susceptor 74.
  • the semiconductor wafer W is held by the holding unit 7 with the surface on which the pattern is formed and the impurities are implanted as the upper surface.
  • a predetermined gap is formed between the back surface (main surface opposite to the front surface) of the semiconductor wafer W supported by the plurality of substrate support pins 77 and the holding surface 75 a of the holding plate 75.
  • the pair of transfer arms 11 lowered to below the susceptor 74 is retracted to the retracted position, that is, inside the recess 62 by the horizontal movement mechanism 13.
  • FIG. 8 is a diagram showing changes in the surface temperature of the semiconductor wafer W.
  • FIG. 8 After the semiconductor wafer W is held from below in a horizontal posture by the susceptor 74 of the holding unit 7 formed of quartz, the 40 halogen lamps HL of the halogen heating unit 4 are turned on all at once at the time t1. Heating of W is started.
  • the halogen light emitted from the halogen lamp HL passes through the lower chamber window 64 and the susceptor 74 made of quartz and is irradiated onto the lower surface of the semiconductor wafer W.
  • the semiconductor wafer W is rapidly heated and the wafer temperature rises.
  • the transfer arm 11 of the transfer mechanism 10 is retracted to the inside of the recess 62, there is no obstacle to heating by the halogen lamp HL.
  • the temperature of the semiconductor wafer W is measured by the radiation thermometer 20. That is, the radiation thermometer 20 receives the infrared light radiated from the lower surface of the semiconductor wafer W held by the susceptor 74 through the opening 78 through the transparent window 21, and measures the temperature of the wafer being heated. The measured temperature of the semiconductor wafer W is transmitted to the control unit 3.
  • the controller 3 controls the output of the halogen lamp HL while monitoring whether or not the temperature of the semiconductor wafer W that is heated by light irradiation from the halogen lamp HL has reached a predetermined target temperature T1.
  • control unit 3 feedback-controls the output of the halogen lamp HL based on the measurement value by the radiation thermometer 20 so that the temperature of the semiconductor wafer W becomes the target temperature T1.
  • the target temperature T1 is 750 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.
  • the control unit 3 adjusts the output of the halogen lamp HL so that the temperature of the semiconductor wafer W maintains the target temperature T1.
  • the temperature of the semiconductor wafer W is maintained at the target temperature T1 until time t3 by light irradiation from the halogen lamp HL.
  • the time from the time t2 to the time t3 when the temperature of the semiconductor wafer W is maintained at the target temperature T1 is 1 second or more and 4 seconds or less.
  • the temperature raising process is from time t1 to time t2 when the temperature of the semiconductor wafer W is raised to the target temperature T1 by light irradiation from the halogen lamp HL, and the semiconductor wafer W is heated to the target temperature T1 by light irradiation from the halogen lamp HL. From time t2 to time t3 is the temperature maintenance step.
  • the impurities implanted into the surface of the semiconductor wafer W are diffused.
  • this temperature maintaining step it is required to accurately diffuse impurities to a specified depth according to the design value of the semiconductor device. Since the diffusion coefficient in silicon varies depending on the type of impurity, the target temperature T1 and the temperature maintenance time from time t2 to time t3 are determined by the type of impurity and the depth at which impurity diffusion is required. Control of the light emission time and light output of the halogen lamp HL is relatively easy.
  • the implanted impurities have a specified depth. Can be diffused with high accuracy.
  • the halogen lamp HL is turned off at time t3.
  • the temperature of the semiconductor wafer W falls from the target temperature T1. That is, the temperature lowering process is after time t3 when the temperature of the semiconductor wafer W is lowered from the target temperature T1.
  • the semiconductor wafer W is irradiated with flash light from the flash lamp FL of the flash heating unit 5 at time t4 during the temperature lowering process. Flash light emitted from the flash lamp FL is applied to the surface of the semiconductor wafer W held by the susceptor 74.
  • the temperature T2 of the semiconductor wafer W at time t4 when the flash light is irradiated is, for example, 600 ° C. or lower.
  • the flash light irradiated from the flash lamp FL to the semiconductor wafer W has an irradiation time of about 0.1 milliseconds or more and 100 milliseconds or less, in which the electrostatic energy previously stored in the capacitor is converted into an extremely short light pulse. It is a very short and strong flash.
  • flash heating is performed in which the surface is instantaneously heated.
  • the surface temperature of the semiconductor wafer W to be flash-heated instantaneously increases to the activation temperature T3 and then rapidly decreases.
  • the activation temperature T3 is higher than the target temperature T1.
  • the impurities are activated during flash heating and the impurities are not diffused even a little. That is, by maintaining the temperature of the semiconductor wafer W at the target temperature T1 from the time t2 to the time t3 in the above temperature maintaining step, the implanted impurities are accurately diffused to a specified depth, and a little more than that. However, when impurities are diffused, the junction depth becomes deeper than required, and the device characteristics deteriorate.
  • the flash light is irradiated on the surface of the semiconductor wafer W during the temperature lowering process in which the temperature of the semiconductor wafer W is lowered from the target temperature T1, the impurity activation is performed while completely suppressing the impurity diffusion. Can only do.
  • the temperature of the semiconductor wafer W further decreases.
  • the temperature of the semiconductor wafer W during the temperature drop is measured by the radiation thermometer 20, and the measurement result is transmitted to the control unit 3.
  • the controller 3 monitors whether or not the temperature of the semiconductor wafer W has dropped to a predetermined temperature from the measurement result of the radiation thermometer 20. Then, after the temperature of the semiconductor wafer W is lowered to a predetermined temperature or lower, the pair of transfer arms 11 of the transfer mechanism 10 is again moved horizontally from the retracted position to the transfer operation position and lifted, whereby the lift pins 12 are moved to the susceptor.
  • the semiconductor wafer W protruding from the upper surface of 74 and subjected to the heat treatment is received from the susceptor 74.
  • the transfer opening 66 closed by the gate valve 185 is opened, and the semiconductor wafer W placed on the lift pins 12 is unloaded by the transfer robot outside the apparatus, and the heat treatment of the semiconductor wafer W in the heat treatment apparatus 1 is performed. Is completed.
  • the semiconductor wafer W into which impurities have been implanted is irradiated with light from the halogen lamp HL, the semiconductor wafer W is heated to the target temperature T1, and is further accurately set to the target temperature T1 from time t2 to time t3.
  • the implanted impurities are diffused to a specified depth with high accuracy.
  • the halogen lamp HL is turned off, and flash light is irradiated from the flash lamp FL onto the surface of the semiconductor wafer W during the temperature lowering process in which the temperature of the semiconductor wafer W is lowered from the target temperature T1.
  • the semiconductor wafer W is irradiated with flash light while the semiconductor wafer W is heated to the target temperature T1
  • impurities are slightly diffused by flash heating due to the flash light irradiation.
  • the impurities diffused with high accuracy to the specified depth further diffuse beyond the specified depth, and as a result, a desired junction depth cannot be obtained.
  • the surface of the semiconductor wafer W is irradiated with flash light in the middle of the temperature lowering process in which the temperature of the semiconductor wafer W is lowered from the target temperature T1, thereby preventing impurity diffusion while completely suppressing impurity diffusion. Only activated. As a result, the impurities implanted into the semiconductor wafer W can be diffused to a specified depth with high precision and activated.
  • the halogen lamp HL is turned off in the temperature lowering process after time t3.
  • the semiconductor wafer W is targeted by reducing the intensity of light emitted from the halogen lamp HL.
  • the temperature may be lowered from the temperature T1.
  • the semiconductor wafer W to be processed is not limited to a silicon semiconductor substrate, and may be a germanium or silicon germanium semiconductor substrate. If a semiconductor substrate such as germanium or the like into which impurities are implanted is irradiated with light from the halogen lamp HL and maintained at the target temperature T1 for a predetermined time, and then the flash is irradiated while the semiconductor substrate is being cooled from the target temperature T1, The same effect as the embodiment can be obtained.
  • the technique according to the present invention may be applied to a semiconductor substrate on which a polysilicon gate electrode is formed. That is, polysilicon is deposited as a gate electrode of a field effect transistor (FET), and a semiconductor substrate in which impurities are implanted into the polysilicon gate electrode is irradiated with light from a halogen lamp HL and maintained at a target temperature T1 for a predetermined time. Is diffused into the gate electrode. Thereafter, while the semiconductor substrate is being lowered from the target temperature T1, the flash lamp FL is irradiated with flash light to activate the impurities.
  • FET field effect transistor
  • the flash heating unit 5 is provided with 30 flash lamps FL.
  • the present invention is not limited to this, and the number of flash lamps FL can be any number.
  • the flash lamp FL is not limited to a xenon flash lamp, and may be a krypton flash lamp.
  • the number of halogen lamps HL provided in the halogen heating unit 4 is not limited to 40, and may be an arbitrary number.
  • the semiconductor wafer W is heated using the filament-type halogen lamp HL as a continuous lighting lamp that emits light continuously for 1 second or more.
  • the present invention is not limited to this.
  • a discharge-type arc lamp for example, a xenon arc lamp
  • the semiconductor wafer W is heated to the target temperature T1 and maintained by light irradiation from the arc lamp. good.

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Abstract

不純物が注入された半導体ウェハーにハロゲンランプから光照射を行って半導体ウェハーを目標温度にまで昇温する。続いて、ハロゲンランプからの光照射を継続して半導体ウェハーを目標温度に所定時間維持することにより、不純物を規定の深さにまで精度良く拡散させる。その後、ハロゲンランプを消灯またはハロゲンランプから照射される光の強度を低下させることによって半導体ウェハーを目標温度から降温させる。半導体ウェハーが降温している途中で半導体ウェハーの表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射することによって、不純物のさらなる拡散を完全に抑制しつつ不純物の活性化のみを行う。

Description

熱処理方法および熱処理装置
　本発明は、不純物が注入された半導体ウェハー等の薄板状精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）に光を照射することによって該基板を加熱して不純物を活性化させる熱処理方法および熱処理装置に関する。
　半導体デバイスの製造プロセスにおいて、不純物導入は半導体ウェハー内にｐｎ接合を形成するための必須の工程である。現在、不純物導入は、イオン打ち込み法とその後のアニール法によってなされるのが一般的である。イオン打ち込み法は、ボロン（Ｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）といった不純物の元素をイオン化させて高加速電圧で半導体ウェハーに衝突させて物理的に不純物注入を行う技術である。注入された不純物はアニール処理によって活性化される。この際に、アニール時間が数秒程度以上であると、打ち込まれた不純物が熱によって深く拡散し、その結果接合深さが要求よりも深くなり過ぎて良好なデバイス形成に支障が生じるおそれがある。
　そこで、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱するアニール技術として、近年フラッシュランプアニール（ＦＬＡ）が注目されている。フラッシュランプアニールは、キセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する）を使用して半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射することにより、不純物が注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリ秒以下）に昇温させる熱処理技術である。
　キセノンフラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、キセノンフラッシュランプから半導体ウェハーにフラッシュ光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリ秒以下の極めて短時間のフラッシュ光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。このため、キセノンフラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、不純物を深く拡散させることなく、不純物活性化のみを実行することができるのである。
　特許文献１には、処理チャンバーの下方に配置されたハロゲンランプによって半導体ウェハーを予備加熱した後、処理チャンバーの上方に配置されたフラッシュランプから半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射するフラッシュランプアニール装置が開示されている。特許文献１に開示の装置では、不純物が注入された半導体ウェハーをハロゲンランプによって所定の予備加熱温度に昇温している状態でフラッシュ光を照射することによってウェハー表面を瞬間的に１０００℃以上の処理温度に昇温して不純物を活性化している。
特開２０１４－１７５６３０号公報
　ところで、近年は半導体デバイスの微細化がますます進展してきており、不純物を僅かでも過度に深く拡散させることは望ましくない。特許文献１に開示のように、予備加熱温度に昇温している半導体ウェハーにフラッシュ光を照射すると、極短時間のフラッシュ光照射であっても不純物が若干は拡散することがあった。その一方、不純物を必要な領域にまで拡散させることは必要である。すなわち、注入された不純物を半導体デバイスの設計値通りに正確に拡散させることが要求されているのである。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板に注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させて活性化することができる熱処理方法および熱処理装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、この発明の第１の態様は、不純物が注入された基板に光を照射することによって該基板を加熱して前記不純物を活性化させる熱処理方法において、連続点灯ランプからの光照射によって前記基板を目標温度にまで昇温する昇温工程と、前記連続点灯ランプからの光照射によって前記基板を前記目標温度に所定時間維持する温度維持工程と、前記連続点灯ランプを消灯または前記連続点灯ランプから照射される光の強度を低下させることによって前記基板を前記目標温度から降温する降温工程と、を備え、前記降温工程の途中にてフラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射する。
　また、第２の態様は、第１の態様に係る熱処理方法において、前記目標温度は、７５０℃以上９００℃以下である。
　また、第３の態様は、第２の態様に係る熱処理方法において、前記温度維持工程では、前記基板を前記目標温度に１秒以上４秒以下維持する。
　また、第４の態様は、不純物が注入された基板に光を照射することによって該基板を加熱して前記不純物を活性化させる熱処理装置において、前記基板を収容するチャンバーと、前記チャンバーに収容された前記基板に光を照射して目標温度に加熱する連続点灯ランプと、前記チャンバーに収容された前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記連続点灯ランプおよび前記フラッシュランプの発光を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記連続点灯ランプからの光照射によって前記目標温度にまで昇温した前記基板を前記目標温度に所定時間維持した後、前記連続点灯ランプを消灯または前記連続点灯ランプから照射される光の強度を低下させることによって前記基板を前記目標温度から降温している途中で前記基板にフラッシュ光を照射するように前記連続点灯ランプおよび前記フラッシュランプの発光を制御する。
　また、第５の態様は、第４の態様に係る熱処理装置において、前記目標温度は、７５０℃以上９００℃以下である。
　また、第６の態様は、第５の態様に係る熱処理装置において、前記制御部は、前記基板を前記目標温度に１秒以上４秒以下維持することを特徴とする。
　第１から第３の態様に係る熱処理方法によれば、連続点灯ランプからの光照射によって基板を目標温度にまで昇温して所定時間維持して基板に注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させた後、基板が目標温度から降温している途中にてフラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射しているため、規定の深さにまで拡散した不純物のさらなる拡散を完全に抑制しつつ不純物を活性化することができる。
　第４から第６の態様に係る熱処理装置によれば、連続点灯ランプからの光照射によって基板を目標温度にまで昇温して所定時間維持して基板に注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させた後、基板が目標温度から降温している途中にてフラッシュランプから基板にフラッシュ光を照射しているため、規定の深さにまで拡散した不純物のさらなる拡散を完全に抑制しつつ不純物を活性化することができる。
本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 保持部の全体外観を示す斜視図である。 サセプタの平面図である。 サセプタの断面図である。 移載機構の平面図である。 移載機構の側面図である。 複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。 半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。
　以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
　図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。図１の熱処理装置１は、基板として円板形状の半導体ウェハーＷに対してフラッシュ光照射を行うことによってその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍである（本実施形態ではφ３００ｍｍ）。熱処理装置１に搬入される前の半導体ウェハーＷには不純物が注入されており、熱処理装置１による加熱処理によって注入された不純物の拡散および活性化処理が実行される。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
　熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するフラッシュ加熱部５と、複数のハロゲンランプＨＬを内蔵するハロゲン加熱部４と、を備える。チャンバー６の上側にフラッシュ加熱部５が設けられるとともに、下側にハロゲン加熱部４が設けられている。また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に保持する保持部７と、保持部７と装置外部との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う移載機構１０と、を備える。さらに、熱処理装置１は、ハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。
　チャンバー６は、筒状のチャンバー側部６１の上下に石英製のチャンバー窓を装着して構成されている。チャンバー側部６１は上下が開口された概略筒形状を有しており、上側開口には上側チャンバー窓６３が装着されて閉塞され、下側開口には下側チャンバー窓６４が装着されて閉塞されている。チャンバー６の天井部を構成する上側チャンバー窓６３は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュ加熱部５から出射されたフラッシュ光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、チャンバー６の床部を構成する下側チャンバー窓６４も、石英により形成された円板形状部材であり、ハロゲン加熱部４からの光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。
　また、チャンバー側部６１の内側の壁面の上部には反射リング６８が装着され、下部には反射リング６９が装着されている。反射リング６８，６９は、ともに円環状に形成されている。上側の反射リング６８は、チャンバー側部６１の上側から嵌め込むことによって装着される。一方、下側の反射リング６９は、チャンバー側部６１の下側から嵌め込んで図示省略のビスで留めることによって装着される。すなわち、反射リング６８，６９は、ともに着脱自在にチャンバー側部６１に装着されるものである。チャンバー６の内側空間、すなわち上側チャンバー窓６３、下側チャンバー窓６４、チャンバー側部６１および反射リング６８，６９によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。
　チャンバー側部６１に反射リング６８，６９が装着されることによって、チャンバー６の内壁面に凹部６２が形成される。すなわち、チャンバー側部６１の内壁面のうち反射リング６８，６９が装着されていない中央部分と、反射リング６８の下端面と、反射リング６９の上端面とで囲まれた凹部６２が形成される。凹部６２は、チャンバー６の内壁面に水平方向に沿って円環状に形成され、半導体ウェハーＷを保持する保持部７を囲繞する。チャンバー側部６１および反射リング６８，６９は、強度と耐熱性に優れた金属材料（例えば、ステンレススチール）にて形成されている。
　また、チャンバー側部６１には、チャンバー６に対して半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部（炉口）６６が形設されている。搬送開口部６６は、ゲートバルブ１８５によって開閉可能とされている。搬送開口部６６は凹部６２の外周面に連通接続されている。このため、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を開放しているときには、搬送開口部６６から凹部６２を通過して熱処理空間６５への半導体ウェハーＷの搬入および熱処理空間６５からの半導体ウェハーＷの搬出を行うことができる。また、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を閉鎖するとチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。
　さらに、チャンバー側部６１には、貫通孔６１ａが穿設されている。チャンバー側部６１の外壁面の貫通孔６１ａが設けられている部位には放射温度計２０が取り付けられている。貫通孔６１ａは、後述するサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を放射温度計２０に導くための円筒状の孔である。貫通孔６１ａは、その貫通方向の軸がサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの主面と交わるように、水平方向に対して傾斜して設けられている。貫通孔６１ａの熱処理空間６５に臨む側の端部には、放射温度計２０が測定可能な波長領域の赤外光を透過させるフッ化バリウム材料からなる透明窓２１が装着されている。
　また、チャンバー６の内壁上部には熱処理空間６５に処理ガスを供給するガス供給孔８１が形設されている。ガス供給孔８１は、凹部６２よりも上側位置に形設されており、反射リング６８に設けられていても良い。ガス供給孔８１はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８２を介してガス供給管８３に連通接続されている。ガス供給管８３は処理ガス供給源８５に接続されている。また、ガス供給管８３の経路途中にはバルブ８４が介挿されている。バルブ８４が開放されると、処理ガス供給源８５から緩衝空間８２に処理ガスが送給される。緩衝空間８２に流入した処理ガスは、ガス供給孔８１よりも流体抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れてガス供給孔８１から熱処理空間６５内へと供給される。処理ガスとしては、例えば窒素（Ｎ２）等の不活性ガス、または、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）等の反応性ガス、或いはそれらを混合した混合ガスを用いることができる（本実施形態では窒素ガス）。
　一方、チャンバー６の内壁下部には熱処理空間６５内の気体を排気するガス排気孔８６が形設されている。ガス排気孔８６は、凹部６２よりも下側位置に形設されており、反射リング６９に設けられていても良い。ガス排気孔８６はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８７を介してガス排気管８８に連通接続されている。ガス排気管８８は排気部１９０に接続されている。また、ガス排気管８８の経路途中にはバルブ８９が介挿されている。バルブ８９が開放されると、熱処理空間６５の気体がガス排気孔８６から緩衝空間８７を経てガス排気管８８へと排出される。なお、ガス供給孔８１およびガス排気孔８６は、チャンバー６の周方向に沿って複数設けられていても良いし、スリット状のものであっても良い。また、処理ガス供給源８５および排気部１９０は、熱処理装置１に設けられた機構であっても良いし、熱処理装置１が設置される工場のユーティリティであっても良い。
　また、搬送開口部６６の先端にも熱処理空間６５内の気体を排出するガス排気管１９１が接続されている。ガス排気管１９１はバルブ１９２を介して排気部１９０に接続されている。バルブ１９２を開放することによって、搬送開口部６６を介してチャンバー６内の気体が排気される。
　図２は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。保持部７は、基台リング７１、連結部７２およびサセプタ７４を備えて構成される。基台リング７１、連結部７２およびサセプタ７４はいずれも石英にて形成されている。すなわち、保持部７の全体が石英にて形成されている。
　基台リング７１は円環形状から一部が欠落した円弧形状の石英部材である。この欠落部分は、後述する移載機構１０の移載アーム１１と基台リング７１との干渉を防ぐために設けられている。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されることによって、チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図１参照）。基台リング７１の上面に、その円環形状の周方向に沿って複数の連結部７２（本実施形態では４個）が立設される。連結部７２も石英の部材であり、溶接によって基台リング７１に固着される。
　サセプタ７４は基台リング７１に設けられた４個の連結部７２によって支持される。図３は、サセプタ７４の平面図である。また、図４は、サセプタ７４の断面図である。サセプタ７４は、保持プレート７５、ガイドリング７６および複数の基板支持ピン７７を備える。保持プレート７５は、石英にて形成された略円形の平板状部材である。保持プレート７５の直径は半導体ウェハーＷの直径よりも大きい。すなわち、保持プレート７５は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。
　保持プレート７５の上面周縁部にガイドリング７６が設置されている。ガイドリング７６は、半導体ウェハーＷの直径よりも大きな内径を有する円環形状の部材である。例えば、半導体ウェハーＷの直径がφ３００ｍｍの場合、ガイドリング７６の内径はφ３２０ｍｍである。ガイドリング７６の内周は、保持プレート７５から上方に向けて広くなるようなテーパ面とされている。ガイドリング７６は、保持プレート７５と同様の石英にて形成される。ガイドリング７６は、保持プレート７５の上面に溶着するようにしても良いし、別途加工したピンなどによって保持プレート７５に固定するようにしても良い。或いは、保持プレート７５とガイドリング７６とを一体の部材として加工するようにしても良い。
　保持プレート７５の上面のうちガイドリング７６よりも内側の領域が半導体ウェハーＷを保持する平面状の保持面７５ａとされる。保持プレート７５の保持面７５ａには、複数の基板支持ピン７７が立設されている。本実施形態においては、保持面７５ａの外周円（ガイドリング７６の内周円）と同心円の周上に沿って３０°毎に計１２個の基板支持ピン７７が立設されている。１２個の基板支持ピン７７を配置した円の径（対向する基板支持ピン７７間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、半導体ウェハーＷの径がφ３００ｍｍであればφ２７０ｍｍ～φ２８０ｍｍ（本実施形態ではφ２７０ｍｍ）である。それぞれの基板支持ピン７７は石英にて形成されている。複数の基板支持ピン７７は、保持プレート７５の上面に溶接によって設けるようにしても良いし、保持プレート７５と一体に加工するようにしても良い。
　図２に戻り、基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプタ７４の保持プレート７５の周縁部とが溶接によって固着される。すなわち、サセプタ７４と基台リング７１とは連結部７２によって固定的に連結されている。このような保持部７の基台リング７１がチャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７がチャンバー６に装着される。保持部７がチャンバー６に装着された状態においては、サセプタ７４の保持プレート７５は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。すなわち、保持プレート７５の保持面７５ａは水平面となる。
　チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、チャンバー６に装着された保持部７のサセプタ７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。このとき、半導体ウェハーＷは保持プレート７５上に立設された１２個の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。より厳密には、１２個の基板支持ピン７７の上端部が半導体ウェハーＷの下面に接触して当該半導体ウェハーＷを支持する。１２個の基板支持ピン７７の高さ（基板支持ピン７７の上端から保持プレート７５の保持面７５ａまでの距離）は均一であるため、１２個の基板支持ピン７７によって半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持することができる。
　また、半導体ウェハーＷは複数の基板支持ピン７７によって保持プレート７５の保持面７５ａから所定の間隔を隔てて支持されることとなる。基板支持ピン７７の高さよりもガイドリング７６の厚さの方が大きい。従って、複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれはガイドリング７６によって防止される。
　また、図２および図３に示すように、サセプタ７４の保持プレート７５には、上下に貫通して開口部７８が形成されている。開口部７８は、放射温度計２０が半導体ウェハーＷの下面から放射される放射光（赤外光）を受光するために設けられている。すなわち、放射温度計２０が開口部７８およびチャンバー側部６１の貫通孔６１ａに装着された透明窓２１を介して半導体ウェハーＷの下面から放射された光を受光して当該半導体ウェハーＷの温度を測定する。さらに、サセプタ７４の保持プレート７５には、後述する移載機構１０のリフトピン１２が半導体ウェハーＷの受け渡しのために貫通する４個の貫通孔７９が穿設されている。
　図５は、移載機構１０の平面図である。また、図６は、移載機構１０の側面図である。移載機構１０は、２本の移載アーム１１を備える。移載アーム１１は、概ね円環状の凹部６２に沿うような円弧形状とされている。それぞれの移載アーム１１には２本のリフトピン１２が立設されている。移載アーム１１およびリフトピン１２は石英にて形成されている。各移載アーム１１は水平移動機構１３によって回動可能とされている。水平移動機構１３は、一対の移載アーム１１を保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う移載動作位置（図５の実線位置）と保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平面視で重ならない退避位置（図５の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。水平移動機構１３としては、個別のモータによって各移載アーム１１をそれぞれ回動させるものであっても良いし、リンク機構を用いて１個のモータによって一対の移載アーム１１を連動させて回動させるものであっても良い。
　また、一対の移載アーム１１は、昇降機構１４によって水平移動機構１３とともに昇降移動される。昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて上昇させると、計４本のリフトピン１２がサセプタ７４に穿設された貫通孔７９（図２，３参照）を通過し、リフトピン１２の上端がサセプタ７４の上面から突き出る。一方、昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて下降させてリフトピン１２を貫通孔７９から抜き取り、水平移動機構１３が一対の移載アーム１１を開くように移動させると各移載アーム１１が退避位置に移動する。一対の移載アーム１１の退避位置は、保持部７の基台リング７１の直上である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されているため、移載アーム１１の退避位置は凹部６２の内側となる。なお、移載機構１０の駆動部（水平移動機構１３および昇降機構１４）が設けられている部位の近傍にも図示省略の排気機構が設けられており、移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気がチャンバー６の外部に排出されるように構成されている。
　図１に戻り、チャンバー６の上方に設けられたフラッシュ加熱部５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、を備えて構成される。また、フラッシュ加熱部５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。フラッシュ加熱部５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状の石英窓である。フラッシュ加熱部５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３が上側チャンバー窓６３と相対向することとなる。フラッシュランプＦＬはチャンバー６の上方からランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３を介して熱処理空間６５にフラッシュ光を照射する。
　複数のフラッシュランプＦＬは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。複数のフラッシュランプＦＬが配列される領域は半導体ウェハーＷの平面サイズよりも大きい。
　キセノンフラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設された円筒形状のガラス管（放電管）と、該ガラス管の外周面上に付設されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気がガラス管内に瞬時に流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。このようなキセノンフラッシュランプＦＬにおいては、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンドないし１００ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、ハロゲンランプＨＬの如き連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。すなわち、フラッシュランプＦＬは、１秒未満の極めて短い時間で瞬間的に発光するパルス発光ランプである。なお、フラッシュランプＦＬの発光時間は、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源のコイル定数によって調整することができる。
　また、リフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光を熱処理空間６５の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されている。
　チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４は、筐体４１の内側に複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを内蔵している。ハロゲン加熱部４は、複数のハロゲンランプＨＬによってチャンバー６の下方から下側チャンバー窓６４を介して熱処理空間６５への光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する光照射部である。
　図７は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。４０本のハロゲンランプＨＬは上下２段に分けて配置されている。保持部７に近い上段に２０本のハロゲンランプＨＬが配設されるとともに、上段よりも保持部７から遠い下段にも２０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。各ハロゲンランプＨＬは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに２０本のハロゲンランプＨＬは、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように配列されている。よって、上段、下段ともにハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面は水平面である。
　また、図７に示すように、上段、下段ともに保持部７に保持される半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域におけるハロゲンランプＨＬの配設密度が高くなっている。すなわち、上下段ともに、ランプ配列の中央部よりも周縁部の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、ハロゲン加熱部４からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。
　また、上段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群と下段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向と下段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向とが互いに直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。
　ハロゲンランプＨＬは、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管の内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素（ヨウ素、臭素等）を微量導入した気体が封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプＨＬは、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特性を有する。すなわち、ハロゲンランプＨＬは少なくとも１秒以上連続して発光する連続点灯ランプである。また、ハロゲンランプＨＬは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプＨＬを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウェハーＷへの放射効率が優れたものとなる。
　また、ハロゲン加熱部４の筐体４１内にも、２段のハロゲンランプＨＬの下側にリフレクタ４３が設けられている（図１）。リフレクタ４３は、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光を熱処理空間６５の側に反射する。
　制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。例えば、制御部３は、ハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬの発光を制御する。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行う回路であるＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えている。制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって熱処理装置１における処理が進行する。
　上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから発生する熱エネルギーによるハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲン加熱部４およびフラッシュ加熱部５は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓６３とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部５および上側チャンバー窓６３を冷却する。
　次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入法によりボロン（Ｂ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）等の不純物（イオン）が添加されたシリコンの半導体基板である。その不純物の拡散および活性化が熱処理装置１による加熱処理により実行される。以下に説明する熱処理装置１の処理手順は、制御部３が熱処理装置１の各動作機構を制御することにより進行する。
　まず、給気のためのバルブ８４が開放されるとともに、排気用のバルブ８９，１９２が開放されてチャンバー６内に対する給排気が開始される。バルブ８４が開放されると、ガス供給孔８１から熱処理空間６５に窒素ガスが供給される。また、バルブ８９が開放されると、ガス排気孔８６からチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の上部から供給された窒素ガスが下方へと流れ、熱処理空間６５の下部から排気される。
　また、バルブ１９２が開放されることによって、搬送開口部６６からもチャンバー６内の気体が排気される。さらに、図示省略の排気機構によって移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気も排気される。なお、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスが熱処理空間６５に継続的に供給されており、その供給量は処理工程に応じて適宜変更される。
　続いて、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介して不純物注入後の半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される。このときには、半導体ウェハーＷの搬入にともなって装置外部の雰囲気を巻き込むおそれがあるが、チャンバー６には窒素ガスが供給され続けているため、搬送開口部６６から窒素ガスが流出して、そのような外部雰囲気の巻き込みを最小限に抑制することができる。
　搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構１０の一対の移載アーム１１が退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が貫通孔７９を通ってサセプタ７４の保持プレート７５の上面から突き出て半導体ウェハーＷを受け取る。このとき、リフトピン１２は基板支持ピン７７の上端よりも上方にまで上昇する。
　半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間６５から退出し、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖される。そして、一対の移載アーム１１が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載機構１０から保持部７のサセプタ７４に受け渡されて水平姿勢にて下方より保持される。半導体ウェハーＷは、保持プレート７５上に立設された複数の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。また、半導体ウェハーＷは、パターン形成がなされて不純物が注入された表面を上面として保持部７に保持される。複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）と保持プレート７５の保持面７５ａとの間には所定の間隔が形成される。サセプタ７４の下方にまで下降した一対の移載アーム１１は水平移動機構１３によって退避位置、すなわち凹部６２の内側に退避する。
　図８は、半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。半導体ウェハーＷが石英にて形成された保持部７のサセプタ７４によって水平姿勢にて下方より保持された後、時刻ｔ１にハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して半導体ウェハーＷの加熱が開始される。ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された下側チャンバー窓６４およびサセプタ７４を透過して半導体ウェハーＷの下面に照射される。ハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによって半導体ウェハーＷが急速加熱されてウェハー温度が上昇する。なお、移載機構１０の移載アーム１１は凹部６２の内側に退避しているため、ハロゲンランプＨＬによる加熱の障害となることは無い。
　ハロゲンランプＨＬによる加熱を行うときには、半導体ウェハーＷの温度が放射温度計２０によって測定されている。すなわち、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から開口部７８を介して放射された赤外光を透明窓２１を通して放射温度計２０が受光して昇温中のウェハー温度を測定する。測定された半導体ウェハーＷの温度は制御部３に伝達される。制御部３は、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度が所定の目標温度Ｔ１に到達したか否かを監視しつつ、ハロゲンランプＨＬの出力を制御する。すなわち、制御部３は、放射温度計２０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が目標温度Ｔ１となるようにハロゲンランプＨＬの出力をフィードバック制御する。目標温度Ｔ１は、７５０℃以上９００℃以下である。
　時刻ｔ２に半導体ウェハーＷの温度が目標温度Ｔ１に到達した後、制御部３は半導体ウェハーＷの温度がその目標温度Ｔ１を維持するようにハロゲンランプＨＬの出力を調整する。ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷの温度は目標温度Ｔ１に時刻ｔ３まで維持される。半導体ウェハーＷの温度が目標温度Ｔ１に維持される時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間は１秒以上４秒以下である。なお、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷを目標温度Ｔ１にまで昇温する時刻ｔ１から時刻ｔ２までが昇温工程であり、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷを目標温度Ｔ１に維持する時刻ｔ２から時刻ｔ３までが温度維持工程である。
　時刻ｔ２から時刻ｔ３まで半導体ウェハーＷを目標温度Ｔ１に維持するソーク処理を実行することによって、半導体ウェハーＷの表面に注入されていた不純物が拡散する。この温度維持工程では、半導体デバイスの設計値に従った規定の深さにまで不純物を正確に拡散させることが求められる。シリコン中における拡散係数は不純物の種類によって異なるため、不純物の種類と不純物拡散が必要とされる深さによって目標温度Ｔ１および時刻ｔ２から時刻ｔ３までの温度維持時間が決定される。ハロゲンランプＨＬの発光時間および発光出力の制御は比較的容易であり、半導体ウェハーＷの温度を目標温度Ｔ１に時刻ｔ２から時刻ｔ３まで正確に維持することによって、注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させることができる。
　次に、時刻ｔ３にハロゲンランプＨＬが消灯する。ハロゲンランプＨＬが消灯することによって半導体ウェハーＷの温度が目標温度Ｔ１から降温する。すなわち、半導体ウェハーＷの温度が目標温度Ｔ１から降温する時刻ｔ３以降が降温工程である。
　本実施形態では、降温工程の途中の時刻ｔ４にフラッシュ加熱部５のフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射する。フラッシュランプＦＬから放射されたフラッシュ光はサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの表面に照射される。フラッシュ光を照射する時刻ｔ４での半導体ウェハーＷの温度Ｔ２は例えば６００℃以下である。
　フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷに照射されるフラッシュ光は、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度の極めて短く強い閃光である。このようなフラッシュ光が時刻ｔ４に半導体ウェハーＷの表面に照射されることによって、当該表面が瞬間的に加熱されるフラッシュ加熱が実行される。フラッシュ加熱される半導体ウェハーＷの表面温度は、瞬間的に活性化温度Ｔ３にまで上昇した後、急速に下降する。半導体ウェハーＷの表面温度が瞬間的に活性化温度Ｔ３にまで昇温することによって、当該表面に注入されていた不純物が活性化する。なお、典型的には、活性化温度Ｔ３は目標温度Ｔ１よりも高温である。
　ここで重要なことは、フラッシュ加熱時には不純物の活性化のみを行って不純物を僅かでも拡散させないことである。すなわち、上記の温度維持工程にて半導体ウェハーＷの温度を目標温度Ｔ１に時刻ｔ２から時刻ｔ３まで維持することによって、注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させており、それ以上僅かでも不純物が拡散すると接合深さが要求よりも深くなり過ぎてデバイス特性が低下することとなる。本実施形態では、半導体ウェハーＷの温度が目標温度Ｔ１から降温する降温工程の途中で半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射しているため、不純物の拡散を完全に抑制しつつ不純物の活性化のみを行うことができる。
　フラッシュ加熱が終了した後、半導体ウェハーＷの温度がさらに降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は放射温度計２０によって測定され、その測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、放射温度計２０の測定結果より半導体ウェハーＷの温度が所定温度まで降温したか否かを監視する。そして、半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、移載機構１０の一対の移載アーム１１が再び退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２がサセプタ７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷをサセプタ７４から受け取る。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、リフトピン１２上に載置された半導体ウェハーＷが装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの加熱処理が完了する。
　本実施形態においては、不純物が注入された半導体ウェハーＷにハロゲンランプＨＬから光照射を行い、その半導体ウェハーＷを目標温度Ｔ１に昇温し、さらに時刻ｔ２から時刻ｔ３まで目標温度Ｔ１に正確に維持することによって、注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させている。そして、ハロゲンランプＨＬを消灯し、半導体ウェハーＷの温度が目標温度Ｔ１から降温する降温工程の途中で半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射している。
　ここで仮に、半導体ウェハーＷが目標温度Ｔ１に昇温している状態でフラッシュ光照射を行うと、そのフラッシュ光照射によるフラッシュ加熱によっても不純物が若干拡散する。そうすると、規定の深さに精度良く拡散されている不純物が規定の深さを超えてさらに拡散し、その結果所望の接合深さが得られないこととなる。
　そこで、本実施形態においては、半導体ウェハーＷの温度が目標温度Ｔ１から降温する降温工程の途中で半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射することによって、不純物の拡散を完全に抑制しつつ不純物の活性化のみを行っている。これにより、半導体ウェハーＷに注入された不純物を規定の深さに精度良く拡散させて活性化することができる。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、時刻ｔ３以降の降温工程でハロゲンランプＨＬを消灯させていたが、これに代えて、ハロゲンランプＨＬから照射される光の強度を低下させることによって半導体ウェハーＷを目標温度Ｔ１から降温するようにしても良い。
　また、処理対象となる半導体ウェハーＷは、シリコンの半導体基板に限定されるものではなく、ゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウムの半導体基板であっても良い。不純物が注入されたゲルマニウム等の半導体基板にハロゲンランプＨＬから光照射して所定時間目標温度Ｔ１に維持し、その後半導体基板が目標温度Ｔ１から降温している途中でフラッシュ光を照射すれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
　また、本発明に係る技術はポリシリコンのゲート電極が形成された半導体基板に適用するようにしても良い。すなわち、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート電極としてポリシリコンを成膜し、そのポリシリコンゲート電極に不純物を注入した半導体基板にハロゲンランプＨＬから光照射して所定時間目標温度Ｔ１に維持して不純物をゲート電極中に拡散させる。その後、半導体基板が目標温度Ｔ１から降温している途中でフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射して不純物を活性化させる。
　また、上記実施形態においては、フラッシュ加熱部５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。また、ハロゲン加熱部４に備えるハロゲンランプＨＬの本数も４０本に限定されるものではなく、任意の数とすることができる。
　また、上記実施形態においては、１秒以上連続して発光する連続点灯ランプとしてフィラメント方式のハロゲンランプＨＬを用いて半導体ウェハーＷの加熱を行っていたが、これに限定されるものではない。ハロゲンランプＨＬに代えて放電型のアークランプ（例えば、キセノンアークランプ）を連続点灯ランプとして用い、アークランプからの光照射によって半導体ウェハーＷを目標温度Ｔ１に昇温して維持するようにしても良い。
　１　熱処理装置
　３　制御部
　４　ハロゲン加熱部
　５　フラッシュ加熱部
　６　チャンバー
　７　保持部
　１０　移載機構
　２０　放射温度計
　６３　上側チャンバー窓
　６４　下側チャンバー窓
　６５　熱処理空間
　７４　サセプタ
　ＦＬ　フラッシュランプ
　ＨＬ　ハロゲンランプ
　Ｗ　半導体ウェハー

Claims (6)

  1. 　不純物が注入された基板に光を照射することによって該基板を加熱して前記不純物を活性化させる熱処理方法であって、
    　連続点灯ランプからの光照射によって前記基板を目標温度にまで昇温する昇温工程と、
    　前記連続点灯ランプからの光照射によって前記基板を前記目標温度に所定時間維持する温度維持工程と、
    　前記連続点灯ランプを消灯または前記連続点灯ランプから照射される光の強度を低下させることによって前記基板を前記目標温度から降温する降温工程と、
    を備え、
    　前記降温工程の途中にてフラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射する熱処理方法。
  2. 　請求項１記載の熱処理方法において、
    　前記目標温度は、７５０℃以上９００℃以下である熱処理方法。
  3. 　請求項２記載の熱処理方法において、
    　前記温度維持工程では、前記基板を前記目標温度に１秒以上４秒以下維持する熱処理方法。
  4. 　不純物が注入された基板に光を照射することによって該基板を加熱して前記不純物を活性化させる熱処理装置であって、
    　前記基板を収容するチャンバーと、
    　前記チャンバーに収容された前記基板に光を照射して目標温度に加熱する連続点灯ランプと、
    　前記チャンバーに収容された前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
    　前記連続点灯ランプおよび前記フラッシュランプの発光を制御する制御部と、
    を備え、
    　前記制御部は、前記連続点灯ランプからの光照射によって前記目標温度にまで昇温した前記基板を前記目標温度に所定時間維持した後、前記連続点灯ランプを消灯または前記連続点灯ランプから照射される光の強度を低下させることによって前記基板を前記目標温度から降温している途中で前記基板にフラッシュ光を照射するように前記連続点灯ランプおよび前記フラッシュランプの発光を制御する熱処理装置。
  5. 　請求項４記載の熱処理装置において、
    　前記目標温度は、７５０℃以上９００℃以下である熱処理装置。
  6. 　請求項５記載の熱処理装置において、
    　前記制御部は、前記基板を前記目標温度に１秒以上４秒以下維持する熱処理装置。
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