JP2005503003A - 集積回路用の急速熱処理システム - Google Patents

Abstract

急速熱処理装置において加熱ランプの配列は、半導体ウェーハのような半導体基板の表面を、密封されたチャンバ内に保持されているときに１つの選択された温度、又はセットを成す複数の選択された温度に加熱するための放射熱を発生するものである。加熱ランプは、チャンバ環境および該チャンバ環境内のウェーハからその加熱ランプを絶縁分離する１つ以上の光学的透過性外被により個別に、又はグループで、取り囲まれる。光学的透過性外被は、放出された放射熱エネルギの比較的大きな割合をランプから半導体ウェーハの方に向けるため、関連する反射器および／またはレンズを含むことができる。薄い平坦な石英ライナをランプと基板との間に挿入することもできる。チャンバ内の放射エネルギ分布を制御し、そして、従来技術の急速熱処理装置におけるランプを絶縁分離するため通常使用される厚い平坦石英窓を省略することにより、より高い処理速度及び改善された信頼性が得られる。

Description

【技術分野】
【０００１】
発明の背景
本発明は集積回路の製造に関する。とりわけ、制御された圧力及び温度環境内で半導体基板を加熱するためのシステムが開示される。
【０００２】
金属酸化物半導体（ＭＯＳ）のような集積回路の製造には、制御された圧力環境、たとえば真空での半導体ウェーハの急速熱処理が必要である。例えば、ＭＯＳトランジスタを形成するプロセスにおいて、ゲート酸化物層は、通常、実質的に純粋な酸素雰囲気中でシリコン基板の熱酸化により形成される。しかし、ＭＯＳ ＵＬＳＩ回路のような特定の適用において、ゲート酸化物層は、ホットキャリア効果に基づく比較的低い信頼性及び抵抗の問題と共に、比較的高い欠陥密度及びチャージトラップのような不都合な特性を呈するおそれがある。
【０００３】
シリコン基板の急速熱処理（ＲＴＰ）のシーケンスを使用することによってＭＯＳトランジスタのゲート誘電特性を改善できることは公知である。これらの処理ステップは、（１）酸化窒素（ＮＯ）での酸窒化物（ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ）の成長を生成するステップ、（２）化学蒸着法（ＣＶＤ）プロセスで窒化ケイ素（ＳｉＮ）を施すステップ、（３）アンモニア（ＮＨ_３）でのアニールのステップ、および（４）Ｎ_２Ｏでのアニールステップを含む。種々のＲＴＰ処理ステップは、一般に温度制御される真空内で行われる。１つのＲＴＰオーブンは、石英窓で区画され、この石英窓は放射加熱ランプの多重配列により加熱すべきウェーハを収容する中央真空チャンバを画定する。石英窓は、加熱プロセス中ウェーハを、加熱ランプ及び汚染物の他の源から分離する。石英窓のエッジは、チャンバ壁によってシールされ、気密のチャンバ外被を形成する。チャンバ内を真空引もしくは真空吸引すると、２〜４トンの大気による力が石英窓に向かって生じる。石英窓は、その力に耐えるのに十分な厚さであり、一般に少なくとも２５ｍｍ〜３５ｍｍである。一般に少なくともほぼ３ｍｍ〜６ｍｍ厚の比較的薄厚の石英窓は、大気圧で動作するチャンバのためだけ使用される。
【０００４】
内部チャンバ環境を汚染物質のない状態に維持する間、石英窓の絶縁分離チャンバ構造は、チャンバ内のウェーハと加熱源（ランプ）との間で大きな熱的慣性を引き起こし、加熱効率がより小さくなり、ウェーハ温度制御がより困難となる。付加的な熱的慣性により、プロセス反復性及び品質制御を維持することが困難になる。石英窓は、それの厚さにより、破損を受け易く、著しいコストを急速熱処理装置に付加する。従って、石英窓形オーブンにより引き起される複雑性、費用及び反復性の問題を回避するＲＴＰ処理のためのシステムが望ましい。
【０００５】
さらに、半導体ウェーハＲＴＰ処理のスループットを増大させる努力によりランプベースの加熱とは異なる代替手段が創出されている。マットソンテクノロジィ（Mattson Technology）社は、サセプタベースの加熱を使用した単一処理チャンバ内で２つのウェーハを処理するＡＳＰＥＮ II ＲＴＰシステムを提供している。米国特許明細書第６，１３３，５５０号は、ファーネスでのウェーハの挿入及び取出を迅速に行うことによりウェーハをＲＴＰ処理する方法を開示している。ウェーハサイズが増大し、そして、より大きいウェーハ収容するため、益々大きくなるチャンバの窓への応力が増大すると、一つのチャンバ内で多重のウェーハを処理することによりランプベースのＲＴＰ装置のスループットを増大させることができる潜在能力が制限されている。従って、スループットの増大を可能にするランプベースのＲＴＰ処理装置もまた望ましい。
【０００６】
発明の要約
本発明による急速熱処理（ＲＴＰ）装置は、半導体ウェーハ及び集積回路等の基板を処理するため制御される圧力及び温度環境を提供するものである。その装置は、所望の加熱レシピに従って、選択された値又は値の範囲で、チャンバ内に保持された半導体ウェーハの温度を維持するために、放射熱を発生する加熱チャンバ及び加熱ランプの配列を含む。各加熱ランプは、１つのバルブを有し、少なくともそのようなバルブは、チャンバの内部及びその内のウェーハからバルブを絶縁分離する光学的透過性外被により取り囲まれている。有利には、光学的透過性外被は石英窓から形成されており、バルブにより放出される放射熱エネルギに対して完全に又は実質的に透過性の表面を有する。チャンバ内部及びその中のウェーハを加熱ランプのバルブ及び所属のコンポーネントから絶縁分離することにより、光学的透明外被は、加熱ランプからの汚染物質がチャンバに入ることを防止し、又はチャンバ内の半導体ウェーハ上に付着するのを防止するのに役立つ。
【０００７】
本発明の別の側面では、バルブ表面の少なくとも一部にわたり配置されるか、又は、光学的透過性外被の少なくとも一部にわたり配置された反射器表面を備えたバルブを持つ加熱ランプを使用することにより、温度制御を改善することができる。反射器は、プロセス中にランプからの放射を制御し、半導体ウェーハの表面へ向けるのに役立つ。択一的に、反射器表面を、チャンバの壁上に、殊に、凹面状に成形された、又は放物面状に成形された内面を持つチャンバ壁内のキャビティ中に設けることができる。加熱ランプをキャビティ内に位置付ける場合、キャビティ壁上の反射器表面は、処理中にランプからの放射を制御し、半導体ウェーハの表面へ向けるのに役立つ。
【０００８】
有利な実施形態では、バルブを取り囲む光学的透過性外被がバルブから発せられた放射熱を半導体ウェーハ表面上に集中するレンズ構造に成形される。レンズ構造は、加熱ランプがチャンバー壁のキャビティで保持される場合、そのキャビティの開口にわたって凸面状にわん曲したカバーとして形成できる。択一的にレンズ構造は、加熱ランプを収容するための開いた内部コア部分を持つ、石英のような光学的透過性材料から成る部材又はソリッドなブロックとして形成できる。前記のブロックの１つの表面は、バルブから放出された放射加熱エネルギを、被処理半導体ウェーハへ向けるか又は制御するため、凸面状に成形されるか又は凹面状に成形されたレンズに形成される。
【０００９】
本発明の別の実施形態では、封入された加熱ランプの配列と、処理チャンバ外被における単一ウェーハ又は多重ウェーハとの間に光学的透過性ライナが挿入されている。その光学的透過性ライナは、バルブを取り囲む光学的透過性外被に付加して設けられており、さらに、ウェーハ表面に到達することのないように汚染物質を制限するため、バルブをウェーハから絶縁分離する。光学的透過性ライナは、従来技術の石英窓とは異なるものである。それというのは、光学的透過性ライナはチャンバ側壁にシールされず、チャンバ内を真空引もしくは真空吸引する際に大きな圧力差に耐える必要がないので、より薄厚の部材として形成できるからである。光学的透過性ライナをチャンバ側壁にシールすれば、ライナの各側の圧力をつり合せるためポンプのほかに付加的に弁の系列が設けられ、それによりそうしなければ圧力差により引き起こされるおそれのある破壊力を防止する。択一的に、過度な応力を回避するため、より小さい表面積を有する多重の光学的透過性ライナの系列を、バルブと組み合わせて使用することもできる。
【００１０】
本発明の他の目的及び利点は、本発明の望ましい実施例もしくは実施形態の以降の詳細な説明から当業者には容易に理解できるであろう。了解されるように、本発明は、異なる他の実施形態を可能にするものであり、それの幾つかの詳細部により、本発明から逸脱することなく、種々の明らかな観点における変形を行うことができる。従って、記載は、性質上例示的なものとみなすべきであり、限定的なものではない。
【００１１】
図面の説明
図１ 半導体ウェーハに対する制御される温度及び圧力環境を提供するための従来技術の急速熱処理装置を示す図である。
【００１２】
図２ 本発明の望ましい実施例による急速熱処理装置の断面図である。
【００１３】
図２Ａ 図２の線２Ａ−２Ａに沿って切断して側面図として示す部分的な横断面図である。
【００１４】
図３ 急速熱処理装置の代替実施例の断面図である。
【００１５】
図４ 急速熱処理装置内で放射エネルギを半導体ウェーハに向けるための加熱ランプの断面図である。
【００１６】
図５ 急速熱処理装置内で放射エネルギを半導体ウェーハに向けるための加熱ランプの択一的な実施例の断面図である。
【００１７】
図６ 放射エネルギを方向付けするための反射器を有する加熱ランプの断面図である。
【００１８】
図７ 急速熱処理装置内で放射エネルギを半導体ウェーハに向けるための別の配置構成を有する加熱ランプの断面図である。
【００１９】
図８ 急速熱処理装置内で放射エネルギを半導体ウェーハに向けるための反射器の別の配置構成を有する加熱ランプの断面図である。
【００２０】
図９ 急速熱処理装置のチャンバの壁内に埋め込まれた加熱ランプの配列の横断面図である。
【００２１】
図１０Ａ 急速熱処理装置のチャンバ壁上に支持された加熱ランプ及び石英外被の断面図である。
【００２２】
図１０Ｂ チャンバ壁内に部分的に埋め込まれた択一的な配置構成における石英で密封された加熱ランプの断面図である。
【００２３】
図１０Ｃ チャンバ壁内のキャビティ中に完全に埋め込まれたなお別の択一的な配置構成における石英で密封された加熱ランプの断面図である。
【００２４】
図１０Ｄ チャンバ壁内のキャビティ内に埋め込まれた加熱ランプを、キャビティの開口をカバーする石英窓と共に示す断面図である。
【００２５】
図１０Ｅ ランプから放射された放射エネルギの分散を制御するためのレンズを有し、チャンバ壁内に埋め込まれた加熱ランプの断面図である。
【００２６】
図１０Ｆ チャンバ壁上に支持された単一の石英外被内の多重ランプの断面図である。
【００２７】
図１１Ａ 石英レンズにより密封された点光源形ランプの断面図である。
【００２８】
図１１Ｂ 石英レンズにより密封されライトガイド内に埋め込まれたランプの断面図である。
【００２９】
図１１Ｃ ライトガイドの遠心端にレンズを有し、ライトガイド内に封入されたランプの断面図である。
【００３０】
図１１Ｄ 石英レンズにより取り囲まれ、チャンバ壁内のキャビティ中に埋め込まれたランプを有する択一的な配置構成の断面図である。
【００３１】
図１２ 石英発散レンズにおける加熱ランプの断面図である。
【００３２】
図１３ チャンバ壁内のキャビティ中に埋め込まれ、冷却源により取り囲まれた石英外被内に封入されたランプを有する択一的な実施例の断面図である。
【００３３】
図１４ チャンバ壁内のチャネル中に保持された点光源形ランプが示されており、前記チャネルが光学的外被でカバーされている、本発明による択一的な急速熱処理装置のチャンバ壁の底面の平面図である。
【００３４】
図１５ チャンバ内に保持された２つのウェーハを示し、本発明の望ましい実施例による他の択一的な急速熱処理装置を示す断面図である。
【００３５】
図１６ 点光源加熱ランプの系列と組み合わせた光学的透過性ライナの系列を示す、本発明の望ましい他の択一的な急速熱処理装置の断面図である。
【００３６】
望ましい実施例の説明
従来技術によれば、図１は半導体ウェーハ７の急速熱処理（ＲＴＰ）を実行するための装置１０の縦断面図である。装置１０は、その中にウェーハが処理のため置かれている中央チャンバ１１を画定するハウジング１２を備える。真空チャンバ１１の第１の端部におけるドアスロット２６は、ウェーハ７をチャンバ１１内にロードし、ロータ２３上の支持ピン２５上に位置付けることを許容する。ロータ２３は、ボス２１ａに固定されたピン２４上に回転するように支持されており、ボス２１ａは、石英窓２１から石英パッド２７内の開口を通って延びている。
【００３７】
石英窓２１は真空チャンバ１１の下方境界を形成し、シール２８により残りのチャンバコンポーネントに対してシールされる。真空チャンバ１１の上方境界は石英窓２０で形成される。石英窓２０，２１は光学的に透過性であり、放射熱エネルギをチャンバ１１内へ通過させる。一酸化窒素（ＮＯ）、アンモニア（ＮＨ_３）又はＮ_２Ｏ等の処理ガスが、ウェーハ処理期間中チャンバ１１の第２端部における開口１３を通ってチャンバ１１内に導入される。
【００３８】
装置１０用の放射加熱源は、実質的に並列なランプ配列１７および１８を有し、これらのランプ配列１７および１８は、ハウジング１２内に位置付けられているが、チャンバ１１の外側に位置付けられており、装置１０の内壁により支持されている。付加的な放射熱は、装置１０の壁により支持された反射器１５を有する長手側方ランプ１４により与えられる。真空ポート（図示せず）は、チャンバ１１内を真空引することを可能にし、石英窓２０および２１に対して作用する大気による著しい力を生じさせる。
【００３９】
石英窓２０および２１は、チャンバを外部汚染から絶縁分離するのに十分な、適当な機械的強度を伴う厚さを有する。それらは通常、３ｍｍ〜６ｍｍ厚である。急速熱処理装置におけるより大きい半導体ウェーハサイズ及びより高いウェーハスループットに対する要求が増大するに従って、横断面積が増大する。さらに、低圧プロセスチャンバは、スループットを向上するため、真空ロードロック及びウェーハトランスファーモジュールと両立性のあることが要求される。低圧ＲＴＰ装置に要求される石英窓２０および２１の厚さを、それらの要求を充足するため著しく増大させる必要がある。ＲＴＰチャンバ内を真空引すると、２〜４トンのもしくは大気による力が、石英窓に向かって生じる。それらの窓は、その力に耐えるのに十分な厚さを有しなければならず、一般に２５ｍｍ〜３５ｍｍ厚である。石英窓の厚さが増大するに従い、加熱ランプ１７，１８の配列とチャンバ１１との間の距離も増大する。さらに、より厚い窓は、大きな熱的慣性を与え、ウェーハ温度に対する制御がより困難になる。従って本発明者は、それらの不具合を克服することに努めたのである。
【００４０】
本発明の望ましい実施例によれば、従来ＲＴＰ装置（図１）の石英窓２０，２１を省略できる。図２を参照すると、本発明の第１実施例のＲＴＰ装置６０はチャンバ６２を有し、このチャンバ６２は、熱処理中半導体ウェーハ６４を支持するためウェーハホルダ６５を含む。ウェーハ６４は、ドアスロット又は開口６７を通してチャンバ６２内にロードされる。石英から成るものであって良い光学的透過性ライナ６６および６８は、チャンバ６２に対して圧力シーリング表面を形成するものでなく、チャンバ６２内で支持され、その結果ライナ６６および６８の各側で圧力が等しくなる。こうして、ライナ６６および６８は、大きな大気圧力差に耐えなければならない従来のチャンバ石英窓より薄厚であってよく、より小さな熱的慣性を有し、しかも、ウェーハを汚染のない状態に維持するのに役立つ。ライナはほぼ０．２５ｍｍ〜２．０ｍｍの厚さを有するのが望ましいが、ほぼ１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ厚であるのが最も望ましく、そして、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又は他のセラミック材料から形成されていてよく、前記の他のセラミック材料は、光学的に透過性であり、通常の急速熱処理温度に耐えることができるものである。その処理温度は、１０００℃を越えることがある。
【００４１】
図２の実施例において、タングステンハロゲン加熱ランプ又はキセノンアークランプ等の光源の第１および第２の配列が、チャンバ６２の上部及び下部に沿って設けられる、すなわち、ウェーハ支持体６５の上方及び下方に設けられる。チャンバ６２の上部及び下部に沿った光源の配列はウェーハがウェーハ支持体６５上に支持されると、直接放射熱をウェーハ６４に供給する。各光源はチャンバ６２の上部及び下部上の光学的透過性外被（石英管のような）７４，７６内に線形ランプ７０，７２を含む。石英管７４，７６は、個別に、各ランプ７０，７２を取り囲み、シール７８，８０でチャンバ６２の側壁にシールされ、こうして、石英管７４，７６を取り囲むエリヤとチャンバ６２の残りの部分を同じ圧力、望ましいのは真空圧に維持する。チャンバ６２の上部壁９１及び下部壁９３を、メタリックゴールド等の反射性コーティング６９又はＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３のような他の赤外反射性コーティングで被覆できる。図２Ａに極めてよく示されているように、ランプ７０，７２は、並行位置関係で配置され、ここで、各々の密封されたランプが隣接する密封されたランプからわずかだけ離間しており、それぞれチャンバ及び反射性コーティング６９の上部壁及び下部壁から離間すると望ましい。配列の各々は並行な位置関係で示されているが、もちろんその配列を垂直又は他の非並行な位置関係で配向させることができる。更に、チャンバの上部壁９１に隣接する第１の並行な配列を、チャンバの下部壁９３に隣接する第２の並行な配列に対して並行にしてもよい。しかしながら、第２の並行な配列のランプを、第１の並行な配列のランプに対して横方向に配置できる。
【００４２】
入口８２及び出口８４を有する個々の冷却チャネルは、水又は冷却オイル等の液体、又は空気又は空気とヘリウムとの混合気、または空気と水素との混合気等の適当な熱伝導性を有するガス等の冷却流体を、各々の石英管７４，７６を通して循環させ、ランプ７０，７２を冷却する。冷却流体は光屈折特性を有していてよく、ランプバルブ７０，７２から放出された放射熱又は放射光を半導体ウェーハ６４に向けるように、冷却流体の流れの経路を設計できる。
【００４３】
図２及び図２Ａに示すように、チャンバ６２は石英外被７４，７６の第１の配列および第２の配列を有し、各石英外被はそれぞれのランプ７０，７２を含む。石英外被７４，７６及びライナ６６，６８は、光源とウェーハとの間に大きな熱的慣性を導入せずに、ＲＴＰ処理中ウェーハを収容するチャンバ６２の内部部分を、汚染物質で汚染されない状態に維持するように、ランプバルブをチャンバ６２から絶縁分離するのに役立つ。
【００４４】
オプショナルな真空ライン１０１を、チャンバ６２からガスを排気し、チャンバ内に真空引するため使用できる。真空ラインが図２Ａ中仮想輪郭線で示されている。
【００４５】
図２には示されていないが、もちろん第１ランプ配列及び第２ランプ配列をチャンバ６２から絶縁分離するため異なる厚さのライナを使用することが可能である。例えば、０．２５ｍｍの公称厚さを有するより薄厚のライナは、第１のランプ配列を絶縁分離するのに適したものであってよく、温度応答をより速くして温度ランプアップ（ｒａｍｐ ｕｐ）をより高くできるという利点を有する。
【００４６】
図３は、ウェーハ支持体６５上に支持されたウェーハ６４に対する付加的汚染防止を提供する本発明の択一的な実施例９０の断面図である。図３の実施例において、窓８６，８８は、チャンバ６２，９６を画定するハウジングの各側まで完全に延びていて、ウェーハ支持体６５に対するシールされた外被を形成し、ランプ７０，７２又は該ランプを取り囲む外被７４，７６により発生される汚染物質からウェーハ６４及びウェーハ支持体６５をより良好に絶縁分離する。窓８６および８８の各側における圧力平衡を維持し、それにより、従来技術のＲＴＰ装置において使用されたような熱的に慣性のある厚い石英窓の必要性をなくすため石英窓８６および８８の両側における圧力が制御される。図３に示す実施例において、圧力ポンプ９２を通して真空引され、そして、レギュレータ９４，９６は、伝導ライン９８，１００および１０２を通して、窓板８６および８８の各側における圧力をつり合わせる。チャンバ６２および９５の側壁と窓８６，８８との間の適当なシール１０４は、チャンバ６２および９５内で、実質的に汚染物質のない環境を真空下に維持する。
【００４７】
ＲＴＰ装置のさらなる改善として、ランプ７０，７２からウェーハ６４を収容するチャンバ６２へ供給された放射エネルギの量を、ランプバルブを包囲する外被の特性を変えることにより最適化できる。図４は、ランプ配列７０のうちの１つに対する透過性外被７４のうちの１つの断面図を示す。この実施例において、透過性外被は、バルブ７０からウェーハ支持体６５上のウェーハ６４へ放射エネルギを向けるのに役立つ反射性コーティング１０６を有する内表面上に被覆されている石英管７４ａである。望ましい反射性コーティング材料は、金、又はＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３のような他の赤外反射性コーティングである。内部反射性コーティング１０６は、図４において角度Ａで示すように、石英管７４ａの１８０°より小さな角度にわたってカバーしていることが示されている。角度Ａは、ほぼ１６０〜１８０°の範囲内にあるのが望ましい。そこでウェーハが処理されるエリヤ内で放射エネルギ強度を制御することにより、温度安定性を改善し、よりよいプロセス反復性を生じさせることができる。
【００４８】
図５の断面図に示す択一的な配置構成では、反射性コーティング１０８がランプバルブ７０ａの外表面に施されて、チャンバ６２内に保持されたウェーハへ放射エネルギを向ける。
【００４９】
図６の断面図に示す他の実施例では反射性コーティング１１０がランプバルブ７０を取り囲む透過性外被７４ｂの外表面を被覆するため施される。外表面を被覆することにより、放射エネルギがチャンバ６２内のウェーハに向けられるが、ただし、透過性外被７４ａの内表面にコーティング１０６が施される場合（図４に示す）生じるパターンとは異なったパターンでその放射エネルギが向けられる。
【００５０】
放物面状反射器１１２を、バルブ７０を取り囲む透過性外被７４に隣接して設けることができる。図７に示すように、放物面状反射器１１２は、図６における透過性外被７４の外表面に施される反射性コーティング１１０と比較してより真っ直ぐで、より並行の経路で、放出された放射をウェーハの方へ向けるために用いられ、前記の反射性コーティング１１０は、放射をより発散する経路で反射する。放出された放射を、より真っ直ぐで、より並行の経路でウェーハの方に向ける放物面状反射器が望ましい。
【００５１】
放射のためのより真っ直ぐで、より並行な経路の利点は、次のような場合でも得られる、すなわち、図８に示すように真っ直ぐの反射器１１４を透過性外被７４ｂに隣接して導入することにより反射性コーティング１１０を透過性外被７４ｂの外表面に施す場合でも得られる。反射性コーティング１１０と組み合わされた真っ直ぐの反射器１１４は、放出された放射を半導体ウェーハの方に向けるのに役立つ。反射器１１４が密封されたランプの配列で隣接する透過性の外被間に配置される場合、反射器１１４の反射性表面はチャンバ６２内のウェーハ６４のほうに幾らかの発散性の放射光線を向け直す。
【００５２】
装置６０又は９０の上部壁及び下部壁を、代替的に、図９に極めて良好に示すように、放物面状の反射性形態のチャネル状キャビティ１１６の１つ又は系列として形成できる。図９はチャンバの上部部分の端面から見て示す横断面図である。そのような実施例において、透過性外被７４内に封入された各ランプ７０は、チャンバ壁９３内に形成された放物面状のチャネル１１６内に保持される。組み立てのための別個の部分がより少なければ、この実施例において、ランプの周りの透過性外被に関連付けられた別個の被覆又は別個の部品から反射性コーティングを形成する場合より、発生する汚染物質が少なくなる。更に、放射面状チャネル１１６の開口をまた、光学的透過性の窓（図９には図示してない）でカバーすることもできる。
【００５３】
石英管等の光学的透過性外被を有する線型ランプの個別のシーリングを提供する前述の実施例は、従来のシステムにおいて使用されたより厚くてより高いコストを要する石英板又は窓を使用しないで済む。更に、ランプの周りの光学的透過性外被は、より高い大気圧に耐えられる外被の能力を改善する横断面形状を有することができる。例えば、円形又は放物面状の横断面形状は、より扁平な表面を有する他の横断面形状よりも大きな圧力に耐えることができる。しかしながら、真空吸引の程度又はチャンバ内部と外部との間の圧力差に依存して、他の横断面形状を使用することもできる。
【００５４】
図１０Ａから１０Ｆは、チャンバ６２の壁９３上又はその中に線形ランプ７０を支持するための種々の実施形態を示す。図１０Ａは、石英管７４により取り囲まれ、チャンバの側壁９３にすぐ隣接して位置付けられたバルブ７０を示す。択一的に図１０Ｂは、石英管７４により取り囲まれたバルブ７０を示し、ここで、その石英管はチャンバの側壁９３内に形成されたキャビティ内に部分的に埋め込まれている。他の択一的な実施形態として、図１０Ｃは、石英管７４により取り囲まれたバルブ７０を示し、ここで、その石英管７４は、チャンバの側壁９３内に形成されたアーチ状のキャビティ１１８内に完全に埋め込まれている。アーチ状のキャビティ１１８は、石英管全体を保持するのに十分な深さを有する。
【００５５】
図１０Ｄにおいて、バルブ７０は、アーチ状のベースを有するキャビティ１１８内に保持されている。キャビティ１１８の開口は、石英のような光学的透過性の材料から形成されている扁平なカバー１２０でシールされている。そのような実施態様において、バルブを封入する管は存在しないが、バルブはカバー１２０によりチャンバの内部から絶縁分離されている。このアプローチに対する代替的手段として、図１０Ｅにおいて、バルブはチャンバの壁９３内に形成されたアーチ状ベースを有するキャビティ１１８内に保持されており、そして、石英のような透過性材料から成るわん曲したカバー１２２がキャビティ開口をシールする。わん曲したカバー１２２は凸面状にわん曲したレンズとして成形し、放射エネルギをランプバルブ７０から、チャンバ内に保持されたウェーハへ集中、伝達するのを助ける。
【００５６】
単一の透過性外被内に多重ランプを封入することにより、さらなる効率を得ることができる。図１０Ｆは、石英管７４内に封入されたバルブ７０ｃ、７０ｄを示す。石英管７４は、チャンバの壁９３に直ぐ隣接して位置付けられている。１つのランプ配列における多重ランプは、ＲＴＰ装置における加熱源として使用できるが、本発明の地点を得る上で、光学的透過性外被と、そのような外被により取り囲まれたバルブとの１対１の対応関係を用件とするものでない。
【００５７】
管状の構造というよりむしろ、光学的透過性外被を、変化する横断面を有する他の幾何学的形状で形成できる。例えば、図１２において、バルブ７０を、光学的透過性材料のソリッドな部材１２４内に形成されたキャビティ中に保持できる。そのソリッドな部材は、チャンバの壁９３に取り付けられており、そして、バルブ７０により放出された放射エネルギを指向させ、集束させるのを助けるよう凹面状にわん曲したレンズを形成するため一方の側で成形されている。
【００５８】
図１３に示すなお他の実施例において、チャンバ透過性材料から成るソリッドなブロック１２６がチャンバの壁９３内に形成されたキャビティ１３０中に保持される。バルブ７０は、ソリッドなブロックの中空部分内に保持される。冷却チャネル１２８はキャビティ１３０内にソリッドなブロック１２６の周りに設けられており、液体又はガスのような冷却流体の流れがブロック１２６及びランプバルブ７０を冷却するのを助けることができるようにする。冷却チャネル１２８は、キャビティ１３０内でブロック１２６をシールする陶磁器材料又はシール材料１２９内に保持される。
【００５９】
本発明の基本手法を、図２及び図３の実施例に示すよりはむしろ直線形ランプに等しく適用できる。加熱源として点光源形ランプ１４２を使用するＲＴＰ装置１４０の上部壁１４４を図１４に示す。そのような実施例において、バルブ１４２は、ソケット内に保持され、その結果バルブ部分は、処理のためチャンバ内に保持された半導体ウェーハのような半導体基板に対して垂直方向に延びる。図１４に示すように、バルブは、溝内に保持され、行として整列されている。点光源形ランプ１４２を有するＲＴＰ装置１４０を使用した本発明の１実施例として、光学的透過性外被材料のストリップ（図示せず）は、バルブを保持する溝をカバーし、処理すべきウェーハを保持するチャンバからバルブ絶縁分離する。
【００６０】
代替的に、図１１Ａに示すように、壁１４４内のソケット（図示せず）中に保持された各々の個別のランプバルブ１４２を、光学的透過性外被１４６内に封入して、ランプ１４２をチャンバの内部から絶縁分離できる。ランプバルブ１４２から放出された放射エネルギを、処理すべきウェーハに向けるのを助けるため、バルブ１４２をライトガイド１４８内に保持でき、そして、バルブ及びライトガイド１４８を共に、図１１Ｂに示すように光学的透過性外被内に封入できる。図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、光学的透過性外被１４６はわん曲した又は放射面状の形態もしくは形状を有し、チャンバ内で圧力が変化されたときその上への圧力及び力に比較的良好に耐える。
【００６１】
図１１Ｃに示す配置構成では、個別の点光源形ランプ１４２がライトガイド１４８内に封入され、ここで、ライトガイド１４８の近端がチャンバの壁１４４に取り付けられている。その際ライトガイド１４８の遠端が、わん曲した、又は放射面状の光学的透過性外被１５０で密封され、ライトガイド及び外被により形成されたキャビティをシールし、バルブ１４２をウェーハから絶縁分離して、バルブからの汚染がウェーハに到達するのを防止する。図１１Ｄにおいて、点光源形ランプ１４２は、チャンバの壁１４４内のキャビティ又は凹部１５２内に保持されている。石英又は他の光学的透過性材料を比較的少量だけわん曲した、又は放射面状のカバー１４６において使用し、キャビティ開口をカバーし、バルブを、処理すべきウェーハから絶縁分離することができる。
【００６２】
前述の図１１Ａ〜Ｄの前述の実施例の各々を、点光源形ランプ又はライトガイド１４８と組み合わされた点光源形ランプ１４２の周りのわん曲した石英外被について示してあるが、もちろん、バルブの各々を、チャンバ壁１４４内の凹部又はキャビティ中に配置し、単一の扁平な石英カバーを設けて、ランプの各々を、外被内の圧力差に対してシールすることが可能である。
【００６３】
ランプ７０，７２，１４２からの放射エネルギの分散を制御するための前述の事例は例示的なものに過ぎない。ランプ、反射性コーティング及びレンズ表面の賢明な選択をすることにより、処理チャンバ内への放射光についての一層高度の制御が与えられることは明らかである。前述の望ましい実施例の説明及び例示では、それらの関係を固定的なものとして示されている。しかし、それらは、放射ランプを反射性表面及びレンズに対して放射ランプを移動する装置を位置付けることによりそれらの実施例を拡張できる。ランプからの光／エネルギ分散を制御するためのそれらの要素の位置を、チャンバ６２又はチャンバ９１のようなチャンバ内に保持されたウェーハの内表面にわたる均一な光分布に関連して説明したが、ランプ及びランプ配列を、外被内の温度プロフィールを制御するよう位置付けできる。
【００６４】
図１５中に、本発明の別の代替実施例が示してある。この実施例において、スループットは、同時の処理のため、チャンバ内に、ウェーハホルダ６５上へ２つの半導体ウェーハ６４を置くことにより増大される。石英であってよい光学的透過性ライナ６６，６８は、チャンバ６２に対して圧力シーリング表面を形成せず、チャンバ６２´内に支持されており、その結果圧力はライナ６６，６８の各側でつり合わされる。タングステンハロゲン加熱ランプ又はキセノンアークランプのような光源の第１、第２配列が、チャンバ６２´の上部及び下部に沿って設けられている、すなわち、ウェーハ支持体６５の上方及び下方に設けられている。チャンバ６２´の上部及び下部に沿っての光源の配列は、ウェーハがウェーハ支持体６５上に保持されているので、直接の放射熱をウェーハ６４へ向ける。各光源は、チャンバ６２´の上部及び下部上の光学的透過性外被（石英管のような）７４，７６内に直線形ランプ７０，７２を含む。石英管７４，７６は、個別に各ランプ７０，７２を取り囲み、そして、シール７８，８０によりチャンバ６２´の側壁にシールされており、こうして、石英管７４，７６を取り囲むエリヤ及びチャンバ６２の残りの部分が、同じ圧力のもとに置かれ、望ましいのは真空下に維持する。上方配列におけるランプ７０は、下方配列におけるランプに対して垂直な方向に配置される。
【００６５】
入口８２及び出口８４を有する個別の冷却チャネルは、水又は冷却オイルのような液体又は、空気又は、空気とヘリウム又は水素の混合物のような適当な熱伝導度を有するガスのような冷却流体を、それぞれの石英管７４，７６を通して循環し、ランプ７０，７２を冷却する。冷却流体は、光屈折特性を有してよく、冷却流体の流れの経路を、ランプバルブ７０，７２から放射された放射熱又は光を半導体ウェーハ６４のほうに向けるよう設計できる。
【００６６】
チャンバ６２の上部及び下部壁９１，９３を、メタリックゴールドのような反射性コーティング６９、又はＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３のような他の赤外反射性コーティングで被覆できる。
【００６７】
図１５に示すようにチャンバ６２´は、石英外被７４，７６の第１、第２配列を有し、各々の石英外被は、それぞれのランプ７０，７２を含む。石英外被７４，７６及びライナ６６，６８は、光源とウェーハとの間で大きな熱的慣性を導入することなく、ＲＴＰ処理中ウェーハを収容するチャンバ６２の内部部分を汚染物質のない状態に維持するように、ランプバルブをチャンバ６２から絶縁分離する助けをする。
【００６８】
図１６に示す装置のなお別の代替的実施例では、チャンバ６２´´の外壁１６２内に装着されたソケット１６０中に保持された複数の点光源形ランプ１４２が、チャンバ６２´´内のウェーハ支持体６５上に保持されたウェーハ６４のほうに放射エネルギを向けるように位置付けられる。点光源形ランプ１４２は、汚染物質の放出を最小化するため石英外被１６４により取り囲まれる。更に、石英から成るのが望ましい光学的透過性ライナ１６６の系列は、チャンバ６２´´の内壁１６８における開口をおおって置かれ、チャンバ６６´´内に保持されたウェーハ６４から点光源形ランプ１４２をさらに遮蔽する。
【００６９】
ライナ１６６は、シール１６９で内壁１６８にシールされる。チャンバ壁内に形成されたチャネル１７０，１７２は、ガスのような冷却流体がランプ１４２を冷却するよう点光源形ランプ１４２を通過して循環することを許容する。これらのチャネル１７０，１７２もまたガスがチャンバ６２´´内に導入され、そして、そこから取り出されることを許容し、処理のためウェーハ６４を密封するチャンバ６２´´の部分及び点光源形ランプ１４２を密封するチャンバ６２´´の部分１７４における圧力を安定化又はつり合わせるのに役立つ。
【００７０】
本発明は、上述の実施例の特徴が交換され、および／又は全体的に又は部分的に組み合わされるような実施形態を含む。
【００７１】
本発明のこれまでの説明は、本発明の望ましい実施例もしくは実施形態を例示し、記述するものである。ただし、本発明は他の種々の組合せ、変形及び環境において使用でき、本明細書中で表現されたような発明性の設計技術思想の範囲内で変更又は変形を、関連する技術水準の上述の教示および／又は、技量又は、知識に相応して行うことができる。記載は、本明細書中に開示された形態に本発明を限定するべきものではない。当業者に明白な代替的実施形態は添付クレームの範囲内に含まれるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】半導体ウェーハに対する制御される温度及び圧力環境を提供するための従来技術のＲＴＰ装置を示す図である。
【００７３】
【図２】本発明の望ましい実施例による急速熱処理装置の断面図である。
【００７４】
【図２Ａ】図２の線２Ａ−２Ａに沿って切断して側面図として示す部分的な横断面図である。
【００７５】
【図３】急速熱処理装置の択一的な実施例の断面図である。
【００７６】
【図４】急速熱処理装置内で放射エネルギを半導体ウェーハに向けるための加熱ランプの断面図である。
【００７７】
【図５】急速熱処理装置内で放射エネルギを半導体ウェーハに向けるための加熱ランプの択一的な実施例の断面図である。
【００７８】
【図６】放射エネルギを方向付けするための反射器を有する加熱ランプの断面図である。
【００７９】
【図７】急速熱処理装置内で放射エネルギを半導体ウェーハに向けるための別の配置構成を有する加熱ランプの断面図である。
【００８０】
【図８】急速熱処理装置内で放射エネルギを半導体ウェーハに向けるための反射器の別の配置構成を有する加熱ランプの断面図である。
【００８１】
【図９】急速熱処理装置のチャンバの壁内に埋め込まれた加熱ランプの配列の横断面図である。
【００８２】
【図１０Ａ】急速熱処理装置のチャンバ壁上に支持された加熱ランプ及び石英外被の断面図である。
【００８３】
【図１０Ｂ】チャンバ壁内に部分的に埋め込まれた択一的な配置構成における石英で密封された加熱ランプの断面図である。
【００８４】
【図１０Ｃ】チャンバ壁内のキャビティ中に完全に埋め込まれたなお別の択一的な配置構成における石英で密封された加熱ランプの断面図である。
【００８５】
【図１０Ｄ】チャンバ壁内のキャビティ内に埋め込まれた加熱ランプを、キャビティの開口をカバーする石英窓と共に示す断面図である。
【００８６】
【図１０Ｅ】ランプから放射された放射エネルギの分散を制御するためのレンズを有し、チャンバ壁内に埋め込まれた加熱ランプの断面図である。
【００８７】
【図１０Ｆ】チャンバ壁上に支持された単一の石英外被内の多重ランプの断面図である。
【００８８】
【図１１Ａ】石英レンズにより密封された点光源形ランプの断面図である。
【００８９】
【図１１Ｂ】石英レンズにより密封されライトガイド内に埋め込まれたランプの断面図である。
【００９０】
【図１１Ｃ】ライトガイドの遠心端にレンズを有し、ライトガイド内に封入されたランプの断面図である。
【００９１】
【図１１Ｄ】石英レンズにより取り囲まれ、チャンバ壁内のキャビティ中に埋め込まれたランプを有する択一的な配置構成の断面図である。
【００９２】
【図１２】石英発散レンズにおける加熱ランプの断面図である。
【００９３】
【図１３】チャンバ壁内のキャビティ中に埋め込まれ、冷却源により取り囲まれた石英外被内に封入されたランプを有する択一的な実施例の断面図である。
【００９４】
【図１４】チャンバ壁内のチャネル中に保持された点光源形ランプが示されており、前記チャネルが光学的外被でカバーされている、本発明による択一的な急速熱処理装置のチャンバ壁の底面の平面図である。
【００９５】
【図１５】チャンバ内に保持された２つのウェーハを示し、本発明の望ましい実施例による他の択一的な急速熱処理装置を示す断面図である。
【００９６】
【図１６】点光源加熱ランプの系列と組み合わせた光学的透過性ライナの系列を示す、本発明の望ましい他の択一的な急速熱処理装置の断面図である。

Claims (31)

1. 半導体基板の急速熱処理装置において、
   制御される圧力の加わる環境を提供するためのチャンバを有し、該チャンバ中に半導体基板が導入され、
   前記チャンバは第１の壁を備え、
   少なくとも前記のチャンバの第１の壁に沿って支持された加熱ランプが設けられており、
   前記加熱ランプは、該加熱ランプを前記の制御された圧力の加わる環境から絶縁分離する光学的透過性外被を備え、
   前記光学的透過性外被は、処理中、前記基板を加熱するためのランプから放射された放射熱エネルギを伝達するように構成されていることを特徴とする、急速熱処理装置。
2. 少なくとも前記チャンバの前記第１の壁に沿って支持された複数の加熱ランプを有し、
   前記加熱ランプのそれぞれが前記の制御された圧力の加わる環境から加熱ランプを絶縁分離する関連する１つの光学的透過性外被を有する、請求項１記載の装置。
3. 前記加熱ランプの温度を制御するために前記光学的透過性外被に冷却流体を供給するための冷却チャネルを有する、請求項１記載の装置。
4. 前記加熱ランプと前記基板との間に配置された光学的透過性ライナを有する、請求項１記載の装置。
5. 前記光学的透過性ライナの各側で圧力をつり合わせるための手段を有する、請求項４記載の装置。
6. 前記放射熱エネルギを前記基板に向けるため加熱ランプに関連する反射器を有する、請求項１記載の装置。
7. 複数の加熱ランプが第１配列および第２配列で配置されており、
   前記第１の配列は、前記チャンバの第１壁上に又はそれに隣接して配置されており、
   前記第２の配列は、前記チャンバの第２壁上に又はそれに隣接して配置されており、
   ここで、前記第１壁および第２壁は相互に対向している、請求項２記載の装置。
8. 前記光学的透過性外被は前記基板に対面する表面を有し、
   該表面は、放射熱エネルギを前記基板のほうに向けるためのレンズとして形成されている、請求項１記載の装置。
9. 前記光学的透過性外被は石英から形成されている、請求項１記載の装置。
10. 半導体基板は半導体ウェーハである、請求項１記載の装置。
11. 加熱ランプは線形バルブを有する、請求項２記載の装置。
12. 加熱ランプは点光源形バルブを有する、請求項２記載の装置。
13. 半導体基板を処理するための熱処理システムにおいて、
    制御された圧力の加わる環境を提供するためのチャンバを有し、
    該チャンバには１つ以上の半導体基板が導入され、
    前記チャンバは第１の壁を備え、
    １つ以上の光学的透過性外被表面により、制御された圧力の加わる環境から絶縁分離された複数の放射加熱ランプが設けられており、
    前記１つ以上の光学的透過性外被表面は、処理中、前記基板を加熱するためのランプにより放射された放射熱エネルギを伝達し、
    前記加熱ランプの各々は、それに関連付けて、放射熱エネルギを前記の単数の半導体基板又は、複数の基板のほうに放射熱エネルギを制御可能に向けるための反射面を有することを特徴とする、熱処理システム。
14. 前記加熱ランプの１つ以上のものが、前記チャンバの第１壁内のキャビティ中に少なくとも部分的に埋め込まれ、
    それに関連して前記ランプは、前記放射熱エネルギを前記の半導体基板に向けるため前記ランプの表面上に反射器を有する、請求項１３記載のシステム。
15. 前記ランプのうちの１つ以上のものが、前記半導体基板に面するレンズを備えた表面を持つ光学的透過性外被内に設けられる、請求項１３記載のシステム。
16. 反射性コーティングが、前記光学的透過性外被の内面上に施される、請求項１５記載のシステム。
17. 反射性コーティングが、前記ランプの１つの表面上に施されている、請求項１５記載のシステム。
18. 光学的透過性外被内に前記ランプのうちの少なくとも２つが設けられている、請求項１３記載のシステム。
19. 複数の加熱ランプが第１配列および第２配列で配置され、
    前記第１の配列は、前記チャンバの第１壁上に、又はそれに隣接して配置され、
    前記第２の配列は前記チャンバの第２壁上に、又はそれに隣接して配置され、
    ここで、前記の第１壁および第２壁は相互に対向している、請求項１３記載のシステム。
20. 前記の複数の加熱ランプは、離間された第１の直線形配列および第２の直線形配列を有する、請求項１９記載のシステム。
21. 前記の第１の直線形配列及び第２の直線形配列のランプは、並行な面内に位置付けられる、請求項２０記載のシステム。
22. 前記の第１及び第２の直線形配列のランプは、相互に並行な方向に延びている、請求項２０記載のシステム。
23. 前記ランプは、前記チャンバの第１壁内に形成された１つ以上のキャビティ中に少なくとも部分的に封入されている、請求項１３記載のシステム。
24. 前記ランプは、前記チャンバの第２壁内に形成された１つ以上のキャビティ中に少なくとも部分的に封入されている、請求項１３記載のシステム。
25. 前記チャンバ壁内の前記単数キャビティ又は複数キャビティ中に配置された冷却チャネルを有する、請求項２３記載のシステム。
26. さらに、前記チャンバ壁内の前記の単数キャビティ又は複数キャビティ中に配置された冷却チャネルを有する、請求項２４記載のシステム。
27. 少なくとも１つの半導体基板が半導体ウェーハである、請求項１３記載のシステム。
28. 前記第１の配列における前記ランプの各々がチャンバの第１壁内に形成されている放物面状キャビティ中に保持される、請求項１９記載のシステム。
29. 前記第２配列における前記のランプの各々が、チャンバの第２壁内に形成された放物面状キャビティ中に保持される、請求項１９記載のシステム。
30. 前記ランプは点光源形ランプである、請求項１３記載のシステム。
31. 前記ランプは線形ランプである、請求項１３記載のシステム。

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