JP2022079227A - Heat treatment method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、不純物が導入されたシリコンの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する熱処理方法に関する。 The present invention relates to a heat treatment method for heating a thin plate-shaped precision electronic substrate (hereinafter, simply referred to as “substrate”) such as a silicon semiconductor wafer into which impurities have been introduced by irradiating the substrate with light.
半導体デバイスの製造プロセスにおいて、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱する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、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。 In the process of manufacturing a semiconductor device, flash lamp annealing (FLA), which heats a semiconductor wafer in an extremely short time, has attracted attention. Flash lamp annealing uses a xenon flash lamp (hereinafter, simply referred to as "flash lamp" to mean a xenon flash lamp) to irradiate the surface of the semiconductor wafer with flash light, so that only the surface of the semiconductor wafer is extremely exposed. It is a heat treatment technology that raises the temperature in a short time (several milliseconds or less).
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。 The radiation spectral distribution of the xenon flash lamp is from the ultraviolet region to the near infrared region, and the wavelength is shorter than that of the conventional halogen lamp, which is almost the same as the basic absorption band of the silicon semiconductor wafer. Therefore, when the semiconductor wafer is irradiated with the flash light from the xenon flash lamp, the transmitted light is small and the temperature of the semiconductor wafer can be rapidly raised. It has also been found that if the flash light is irradiated for an extremely short time of several milliseconds or less, the temperature can be selectively raised only in the vicinity of the surface of the semiconductor wafer.
このようなフラッシュランプアニールは、極短時間の加熱が必要とされる処理、例えば典型的には半導体ウェハーに注入された不純物の活性化に利用される。特許文献１には、イオン注入法によって不純物を注入したシリコンの半導体ウェハーを予備加熱した後、その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が開示されている。イオン注入法によって不純物が注入された半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射すれば、当該半導体ウェハーの表面を極短時間だけ活性化温度にまで昇温することができ、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。 Such flash lamp annealing is utilized for processes that require very short heating times, such as activation of impurities typically injected into semiconductor wafers. Patent Document 1 discloses that after preheating a silicon semiconductor wafer in which impurities are implanted by an ion implantation method, the surface of the semiconductor wafer is irradiated with flash light from a flash lamp. By irradiating the surface of the semiconductor wafer into which impurities have been implanted by the ion implantation method with flash light, the surface of the semiconductor wafer can be raised to the activation temperature for a very short time without deeply diffusing the impurities. , Only impurity activation can be performed.
しかしながら、不純物が注入された半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射して当該表面を加熱したときに、不純物が外方拡散によって半導体ウェハーから脱離することがある。不純物が外方拡散によって半導体ウェハーから脱離して不純物濃度が低下すると、効率的な活性化が妨げられるという問題が生じる。 However, when the surface of the semiconductor wafer into which impurities are injected is irradiated with flash light to heat the surface, the impurities may be desorbed from the semiconductor wafer by outward diffusion. When impurities are desorbed from the semiconductor wafer by outward diffusion and the impurity concentration is lowered, there arises a problem that efficient activation is hindered.
また、外方拡散によって半導体ウェハーから脱離した不純物はチャンバー内壁に付着するため、チャンバー内の清掃が必要となる。特に、不純物が有害なヒ素（Ａｓ）であった場合には、安全性を配慮した清掃作業が必要となり、多大な時間およびコストを要することとなる。 In addition, impurities desorbed from the semiconductor wafer by outward diffusion adhere to the inner wall of the chamber, so that the inside of the chamber needs to be cleaned. In particular, when the impurity is harmful arsenic (As), cleaning work in consideration of safety is required, which requires a great deal of time and cost.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、不純物の外方拡散による脱離を防止することができる熱処理方法を提供することを目的とする。 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 capable of preventing desorption of impurities due to outward diffusion.
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、不純物が導入されたシリコンの基板に光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法において、前記基板を酸化雰囲気中にて第１予備加熱温度に加熱する第１予備加熱工程と、前記第１予備加熱温度に加熱されている前記基板に酸化雰囲気中にて光を照射し、前記基板の表面を１秒以下加熱する第１ミリ秒アニール工程と、前記基板を不活性ガス雰囲気中にて第２予備加熱温度に加熱する第２予備加熱工程と、前記第２予備加熱温度に加熱されている前記基板に不活性ガス雰囲気中にて光を照射し、前記基板の表面を１秒以下加熱する第２ミリ秒アニール工程と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the invention of claim 1 is a heat treatment method for heating a silicon substrate into which impurities have been introduced by irradiating the substrate with light, wherein the substrate is first preheated in an oxidizing atmosphere. The first preheating step of heating to a temperature and the first millisecond annealing in which the substrate heated to the first preheating temperature is irradiated with light in an oxidizing atmosphere and the surface of the substrate is heated for 1 second or less. The step, the second preheating step of heating the substrate to the second preheating temperature in the inert gas atmosphere, and the light on the substrate heated to the second preheating temperature in the inert gas atmosphere. It is characterized by comprising a second millisecond annealing step of irradiating with a gas and heating the surface of the substrate for 1 second or less.
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理方法において、前記第２ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度は前記第１ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度よりも高温であることを特徴とする。 Further, according to the second aspect of the present invention, in the heat treatment method according to the first aspect, the maximum temperature reached on the surface of the substrate in the second millisecond annealing step is the surface of the substrate in the first millisecond annealing step. It is characterized by being higher than the maximum temperature reached.
また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理方法において、前記第１ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度は７００℃以上１０００℃以下であり、前記第２ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度は１０００℃以上１２５０℃以下であることを特徴とする。 Further, according to the third aspect of the present invention, in the heat treatment method according to the second aspect, the maximum temperature reached on the surface of the substrate in the first millisecond annealing step is 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, and the second millisecond. The maximum temperature reached on the surface of the substrate in the second annealing step is 1000 ° C. or higher and 1250 ° C. or lower.
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記第１ミリ秒アニール工程では、前記基板の表面にシリコンの酸化膜を形成し、前記第２ミリ秒アニール工程では、前記酸化膜によって前記不純物の外方拡散を抑制しつつ前記不純物を活性化することを特徴とする。
Further, the invention of
また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記第１ミリ秒アニール工程および前記第２ミリ秒アニール工程は大気圧未満の減圧雰囲気にて行われることを特徴とする。
Further, the invention of
また、請求項６の発明は、請求項１から請求項５のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記第１予備加熱工程および前記第１ミリ秒アニール工程は酸素またはオゾンを含む酸化雰囲気中にて行われ、前記第２予備加熱工程および前記第２ミリ秒アニール工程は窒素を含む不活性ガス雰囲気中にて行われることを特徴とする。 Further, the invention of claim 6 is the heat treatment method according to any one of claims 1 to 5, wherein the first preheating step and the first millisecond annealing step are in an oxidizing atmosphere containing oxygen or ozone. The second preheating step and the second millisecond annealing step are performed in an atmosphere of an inert gas containing nitrogen.
請求項１から請求項６の発明によれば、酸化雰囲気中にて基板の表面を１秒以下加熱した後に、不活性ガス雰囲気中にて基板の表面を１秒以下加熱する第２ミリ秒アニール工程を実行するため、酸化膜が形成されてから第２ミリ秒アニール工程が行われることとなり、酸化膜によって不純物の外方拡散による脱離を防止することができる。 According to the inventions of claims 1 to 6, the surface of the substrate is heated for 1 second or less in an oxidizing atmosphere, and then the surface of the substrate is heated for 1 second or less in an inert gas atmosphere. In order to carry out the step, the second millisecond annealing step is performed after the oxide film is formed, and the oxide film can prevent desorption of impurities due to outward diffusion.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、本発明に係る熱処理方法を実施する熱処理装置について説明する。図１は、本発明に係る熱処理方法を実施する熱処理装置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。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。 First, a heat treatment apparatus for carrying out the heat treatment method according to the present invention will be described. FIG. 1 is a vertical sectional view showing a configuration of a heat treatment apparatus 1 for carrying out the heat treatment method according to the present invention. The heat treatment device 1 of FIG. 1 is a flash lamp annealing device that heats a disk-shaped semiconductor wafer W as a substrate by irradiating the semiconductor wafer W with flash light. The size of the semiconductor wafer W to be processed is not particularly limited, but is, for example, φ300 mm or φ450 mm. In addition, in FIG. 1 and each subsequent drawing, the dimensions and numbers of each part are exaggerated or simplified as necessary for easy understanding.
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。
The heat treatment apparatus 1 includes a chamber 6 for accommodating a semiconductor wafer W, a
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。
The chamber 6 is configured by mounting quartz chamber windows above and below the cylindrical
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。
Further, a
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。
By attaching the
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。
Further, the
さらに、チャンバー側部６１には、貫通孔６１ａおよび貫通孔６１ｂが穿設されている。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の上面から放射された赤外光を上部放射温度計２５に導くための円筒状の孔である。一方、貫通孔６１ｂは、半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を下部放射温度計２０に導くための円筒状の孔である。貫通孔６１ａおよび貫通孔６１ｂは、それら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、上部放射温度計２５が測定可能な波長領域の赤外光を透過させるフッ化カルシウム材料からなる透明窓２６が装着されている。上部放射温度計２５は、半導体ウェハーＷの上面から放射された赤外光を透明窓２６を介して受光し、その赤外光の強度から半導体ウェハーＷの上面の温度を測定する。また、貫通孔６１ｂの熱処理空間６５に臨む側の端部には、下部放射温度計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。下部放射温度計２０は、半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を透明窓２１を介して受光し、その赤外光の強度から半導体ウェハーＷの下面の温度を測定する。
Further, a through
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。処理ガス供給源８５は処理ガスとして、例えば窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガス、または、酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、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チャンバー６内に供給することができる。
Further, a
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。
On the other hand, a
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。
Further, a
排気部１９０は、真空ポンプを備える。排気部１９０を作動させつつ、バルブ８９，１９２を開放することによって、チャンバー６内の雰囲気がガス排気管８８，１９１から排気部１９０へと排出される。ガス供給孔８１から何らのガス供給を行うことなく、排気部１９０によって密閉空間である熱処理空間６５の雰囲気を排気すると、チャンバー６内を大気圧未満の気圧に減圧することができる。すなわち、排気部１９０は、チャンバー６内を減圧する減圧部としても機能するものである。
The
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。
FIG. 2 is a perspective view showing the overall appearance of the holding portion 7. The holding portion 7 includes a
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。
The
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。
The
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。
A
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。
A region of the upper surface of the holding
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。
Returning to FIG. 2, the four connecting
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。
The semiconductor wafer W carried into the chamber 6 is placed and held in a horizontal posture on the
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。
Further, the semiconductor wafer W is supported by a plurality of substrate support pins 77 from the holding
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、下部放射温度計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、下部放射温度計２０が開口部７８およびチャンバー側部６１の貫通孔６１ｂ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。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the holding
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。
FIG. 5 is a plan view of the
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。
Further, the pair of
図１に戻り、チャンバー６には、下部放射温度計２０および上部放射温度計２５の２つの放射温度計（本実施形態ではパイロメーター）が設けられている。下部放射温度計２０は、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの斜め下方に設けられている。下部放射温度計２０は、半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を受光し、その赤外光の強度から当該下面の温度を測定する。一方、上部放射温度計２５は、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの斜め上方に設けられている。上部放射温度計２５は、半導体ウェハーＷの上面から放射された赤外光を受光し、その赤外光の強度から当該上面の温度を測定する。上部放射温度計２５は、フラッシュ光が照射された瞬間の半導体ウェハーＷの上面の急激な温度変化に対応できるように、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）の光学素子を備えている。また、チャンバー６には酸素濃度計９５が設けられている。酸素濃度計９５は、チャンバー６内における酸素濃度を測定する。
Returning to FIG. 1, the chamber 6 is provided with two radiation thermometers (pyrometer in this embodiment), a
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。
The
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。 The plurality of flash lamps FL are rod-shaped lamps, each having a long cylindrical shape, and their respective longitudinal directions are along the main surface of the semiconductor wafer W held by the holding portion 7 (that is, along the horizontal direction). They are arranged in a plane so that they are parallel to each other. Therefore, the plane formed by the arrangement of the flash lamp FL is also a horizontal plane. The region where the plurality of flash lamp FLs are arranged is larger than the planar size of the semiconductor wafer W.
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。 The xenon flash lamp FL has a cylindrical glass tube (discharge tube) in which xenon gas is sealed inside and an anode and a cathode connected to a condenser are arranged at both ends thereof, and on the outer peripheral surface of the glass tube. It is provided with an attached trigger electrode. Since xenon gas is electrically an insulator, electricity does not flow in the glass tube under normal conditions even if electric charges are accumulated in the condenser. However, when a high voltage is applied to the trigger electrode to break the insulation, the electricity stored in the capacitor instantly flows into the glass tube, and light is emitted by the excitation of xenon atoms or molecules at that time. In such a xenon flash lamp FL, the electrostatic energy stored in the capacitor in advance is converted into an extremely short optical pulse of 0.1 millisecond to 100 millisecond, so that the halogen lamp HL is continuously lit. It has the feature that it can irradiate extremely strong light compared to a light source. That is, the flash lamp FL is a pulsed light emitting lamp that instantaneously emits light in an extremely short time of less than 1 second.
フラッシュランプＦＬの発光回路には図示省略のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が組み込まれている。そのＩＧＢＴのゲートに印加するパルスの波形を調整することによって、フラッシュランプＦＬの発光時間を１ミリセカンドから１００ミリセカンドの間で規定することができる。 An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) (not shown) is incorporated in the light emitting circuit of the flash lamp FL. By adjusting the waveform of the pulse applied to the gate of the IGBT, the emission time of the flash lamp FL can be specified between 1 millisecond and 100 milliseconds.
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。
Further, the
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。
The
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。
FIG. 7 is a plan view showing the arrangement of a plurality of halogen lamps HL. The 40 halogen lamps HL are arranged in two upper and lower stages. Twenty halogen lamps HL are arranged in the upper stage near the holding
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。
Further, as shown in FIG. 7, the arrangement density of the halogen lamp HL in the region facing the peripheral edge 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 and lower stages. There is. That is, in both the upper and lower stages, the arrangement pitch of the halogen lamp HL is shorter in the peripheral portion than in the central portion of the lamp arrangement. Therefore, it is possible to irradiate a peripheral portion of the semiconductor wafer W, which tends to have a temperature drop during heating by light irradiation from the
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。 Further, the lamp group consisting of the halogen lamp HL in the upper stage and the lamp group consisting of the halogen lamp HL in the lower stage are arranged so as to intersect in a grid 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. There is.
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。 The halogen lamp HL is a filament type light source that incandescentizes the filament and emits light by energizing the filament arranged inside the glass tube. Inside the glass tube, a gas in which a trace amount of a halogen element (iodine, bromine, etc.) is introduced into an inert gas such as nitrogen or argon is enclosed. By introducing the halogen element, it becomes possible to set the temperature of the filament to a high temperature while suppressing the breakage of the filament. Therefore, the halogen lamp HL has a characteristic that it has a longer life than a normal incandescent lamp and can continuously irradiate strong light. That is, the halogen lamp HL is a continuously lit lamp that continuously emits light for at least 1 second or longer. 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.
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。
Further, a
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。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。
The
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。
In addition to the above configuration, the heat treatment apparatus 1 prevents an excessive temperature rise of the
次に、本発明に係る熱処理方法について説明する。図８は、本発明に係る熱処理方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態において処理対象となる半導体基板はシリコン（Ｓｉ）の半導体ウェハーＷである。熱処理装置１における熱処理に先立って、シリコンの半導体ウェハーＷの表面の一部領域に不純物（例えば、ボロン（Ｂ）やヒ素（Ａｓ）等）が導入される（ステップＳ１）。不純物の導入は、例えばイオン注入法によって行うことができる。図１０は、不純物が導入された半導体ウェハーＷを模式的に示す図である。半導体ウェハーＷの表面に不純物が導入されることにより、シリコンの基層１０１上に不純物導入層１０２が形成されることとなる。不純物導入層１０２には導入された不純物の原子が存在している。
Next, the heat treatment method according to the present invention will be described. FIG. 8 is a flowchart showing the procedure of the heat treatment method according to the present invention. The semiconductor substrate to be processed in this embodiment is a silicon (Si) semiconductor wafer W. Prior to the heat treatment in the heat treatment apparatus 1, impurities (for example, boron (B), arsenic (As), etc.) are introduced into a part of the surface of the silicon semiconductor wafer W (step S1). Impurities can be introduced, for example, by ion implantation. FIG. 10 is a diagram schematically showing a semiconductor wafer W into which impurities have been introduced. By introducing impurities on the surface of the semiconductor wafer W, the
次に、不純物が導入されたシリコンの半導体ウェハーＷが熱処理装置１のチャンバー６内に搬入される（ステップＳ２）。具体的には、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、バルブ８４を開放してチャンバー６内に窒素ガスを供給し、搬送開口部６６から窒素ガスを流出させて半導体ウェハーＷの搬入にともなう外部雰囲気の巻き込みを最小限に抑制するようにしても良い。
Next, the silicon semiconductor wafer W into which impurities have been introduced is carried into the chamber 6 of the heat treatment apparatus 1 (step S2). Specifically, the
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。
The semiconductor wafer W carried in by the transfer robot advances to a position directly above the holding portion 7 and stops. Then, the pair of
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、不純物導入層１０２が形成されている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。
After the semiconductor wafer W is placed on the
半導体ウェハーＷが保持部７に保持され、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖されて熱処理空間６５が密閉空間とされた後、チャンバー６内に酸素が供給されて酸化雰囲気が形成される（ステップＳ３）。具体的には、バルブ８４が開放されて処理ガス供給源８５からチャンバー６内に酸素が供給されるとともに、バルブ８９が開放されてガス排気孔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内の雰囲気は徐々に酸素に置換され、チャンバー６内には酸素を含む酸化雰囲気が形成される。チャンバー６内の酸素濃度は１％～１００％の適宜の値とすることができる。チャンバー６内の酸素濃度は酸素濃度計９５によって測定されている。なお、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内の気体は排気される。
The semiconductor wafer W is held in the holding portion 7, the
続いて、半導体ウェハーＷに対する第１予備加熱が開始される（ステップＳ４）。図９は、半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。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の第１予備加熱が開始される。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の裏面から照射される。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が加熱されて温度が上昇する。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。
Subsequently, the first preheating of the semiconductor wafer W is started (step S4). FIG. 9 is a diagram showing changes in the surface temperature of the semiconductor wafer W. At time t1, the 40 halogen lamps HL of the
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の温度が下部放射温度計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を通して下部放射温度計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の温度が所定の第１予備加熱温度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、下部放射温度計２０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が第１予備加熱温度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。
When heating with the halogen lamp HL, the temperature of the semiconductor wafer W is measured by the
次に、半導体ウェハーＷの温度が第１予備加熱温度Ｔ１に到達した後、制御部３は半導体ウェハーＷの温度をその第１予備加熱温度Ｔ１に暫時維持する。具体的には、下部放射温度計２０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が第１予備加熱温度Ｔ１に到達した時刻ｔ２に制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を調整し、半導体ウェハーＷの温度をほぼ第１予備加熱温度Ｔ１に維持している。これにより、半導体ウェハーＷを酸化雰囲気中にて第１予備加熱温度Ｔ１に加熱する第１予備加熱が進行する。第１予備加熱における第１予備加熱温度Ｔ１は５００℃以上８００℃以下である。
Next, after the temperature of the semiconductor wafer W reaches the first preheating temperature T1, the
半導体ウェハーＷの温度が第１予備加熱温度Ｔ１に到達してから所定時間が経過した時刻ｔ３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の表面に第１のフラッシュ光照射を行う（ステップＳ５）。このとき、フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光の一部は直接にチャンバー６内へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ５２により反射されてからチャンバー６内へと向かい、これらのフラッシュ光の照射により半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われる。
At time t3, when a predetermined time has elapsed since the temperature of the semiconductor wafer W reached the first preheating temperature T1, the surface of the semiconductor wafer W is irradiated with the first flash light from the flash lamp FL of the
フラッシュランプＦＬから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１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下の極めて短く強い閃光である。フラッシュランプＦＬの発光時間は発光回路に接続されたＩＧＢＴによって１ミリセカンドから１００ミリセカンドの間で規定される。半導体ウェハーＷの表面に照射時間が１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下のフラッシュ光が照射されることによって、当該表面が瞬間的にピーク温度（最高到達温度）にまで昇温した後、急速に降温する。フラッシュ光の照射時間は１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下であるため、第１のフラッシュ光照射は加熱時間が１秒以下のミリ秒アニール工程である。第１のフラッシュ光照射における半導体ウェハーＷの表面のピーク温度Ｔ２は７００℃以上１０００℃以下であり、第１予備加熱温度Ｔ１よりも高温である。 The flash light emitted from the flash lamp FL is an extremely short and strong flash with an irradiation time of 1 millisecond or more and 100 milliseconds or less, in which the electrostatic energy stored in the capacitor in advance is converted into an extremely short optical pulse. The flash time of the flash lamp FL is defined between 1 millisecond and 100 milliseconds by the IGBT connected to the light emitting circuit. When the surface of the semiconductor wafer W is irradiated with flash light having an irradiation time of 1 millisecond or more and 100 milliseconds or less, the surface is instantaneously raised to the peak temperature (maximum reached temperature) and then rapidly lowered. do. Since the irradiation time of the flash light is 1 millisecond or more and 100 millisecond or less, the first flash light irradiation is a millisecond annealing step in which the heating time is 1 second or less. The peak temperature T2 on the surface of the semiconductor wafer W in the first flash light irradiation is 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, which is higher than the first preheating temperature T1.
第１のフラッシュ光照射は酸素を含む酸化雰囲気中にて実行される。酸素を含む酸化雰囲気中にて半導体ウェハーＷにフラッシュ光が照射されて半導体ウェハーＷの表面が１秒以下フラッシュ加熱されることにより、半導体ウェハーＷの表面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）が形成される。図１１は、表面に酸化膜が形成された半導体ウェハーＷを模式的に示す図である。第１のフラッシュ光照射により、不純物導入層１０２の上にシリコン酸化膜１０３が形成される。すなわち、半導体ウェハーＷの最も表層にシリコン酸化膜１０３が形成され、その下層に不純物導入層１０２が存在することとなる。
The first flash light irradiation is performed in an oxidizing atmosphere containing oxygen. A silicon oxide film (SiO 2 ) is formed on the surface of the semiconductor wafer W by irradiating the semiconductor wafer W with flash light in an oxygen-containing oxidizing atmosphere and flash-heating the surface of the semiconductor wafer W for 1 second or less. To. FIG. 11 is a diagram schematically showing a semiconductor wafer W having an oxide film formed on its surface. By the first flash light irradiation, the
ハロゲンランプＨＬからの光照射のみによっても、シリコン酸化膜を形成することは可能であるが、この場合半導体ウェハーＷに与える総熱量が大きくなるため、他の領域に与える熱影響が過大となる。フラッシュ光照射によってシリコン酸化膜を形成するようにすれば、半導体ウェハーＷに与える総熱量は比較的小さくなるため、他の領域に大きな熱影響を与えることが防止される。 It is possible to form a silicon oxide film only by irradiating light from the halogen lamp HL, but in this case, the total amount of heat given to the semiconductor wafer W becomes large, so that the heat effect on other regions becomes excessive. If the silicon oxide film is formed by flash light irradiation, the total amount of heat given to the semiconductor wafer W is relatively small, so that it is possible to prevent a large thermal influence on other regions.
第１のフラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面にシリコン酸化膜１０３が形成された後、チャンバー６内の雰囲気が窒素雰囲気に置換される（ステップＳ６）。具体的には、バルブ８４が開放されて処理ガス供給源８５からチャンバー６内に窒素が供給されるとともに、バルブ８９が開放されてガス排気孔８６からチャンバー６内の酸化雰囲気が排出される。これにより、チャンバー６内の酸化雰囲気は徐々に窒素雰囲気に置換され、チャンバー６内には不活性ガス雰囲気である窒素雰囲気が形成される。
After the
続いて、半導体ウェハーＷに対する第２予備加熱が行われる（ステップＳ７）。第２予備加熱もハロゲンランプＨＬからの光照射によって行われる。すなわち、ハロゲンランプＨＬから出射された光が半導体ウェハーＷの裏面に照射されることによって、半導体ウェハーＷが加熱される。 Subsequently, the second preheating of the semiconductor wafer W is performed (step S7). The second preheating is also performed by irradiation with light from the halogen lamp HL. That is, the light emitted from the halogen lamp HL is applied to the back surface of the semiconductor wafer W to heat the semiconductor wafer W.
第２予備加熱においては、下部放射温度計２０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が第２予備加熱温度Ｔ３に到達した時刻ｔ４に制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を調整し、半導体ウェハーＷの温度をほぼ第２予備加熱温度Ｔ３に維持する。これにより、半導体ウェハーＷを窒素雰囲気中にて第２予備加熱温度Ｔ３に加熱する第２予備加熱が進行する。第２予備加熱における第２予備加熱温度Ｔ３は５００℃以上８００℃以下である。すなわち、第１予備加熱温度Ｔ１と第２予備加熱温度Ｔ３とは同じ温度範囲に設定されるものであり、第２予備加熱温度Ｔ３は第１予備加熱温度Ｔ１より高温であっても良いし、低温であっても良い。或いは、第２予備加熱温度Ｔ３と第１予備加熱温度Ｔ１とは等温であっても良い。
In the second preheating, the
半導体ウェハーＷの温度が第２予備加熱温度Ｔ３に到達してから所定時間が経過した時刻ｔ５に、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの表面に第２のフラッシュ光照射を行う（ステップＳ８）。第２のフラッシュ光照射における、フラッシュ光照射時間も１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下である。すなわち、第２のフラッシュ光照射も加熱時間が１秒以下のミリ秒アニール工程である。半導体ウェハーＷの表面に照射時間が１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下のフラッシュ光が照射されることによって、当該表面が瞬間的にピーク温度（最高到達温度）にまで昇温した後、急速に降温する。第２のフラッシュ光照射における半導体ウェハーＷの表面のピーク温度Ｔ４は１０００℃以上１２５０℃以下であり、第１のフラッシュ光照射における半導体ウェハーＷの表面のピーク温度Ｔ２よりも高温である。 At time t5, when a predetermined time has elapsed since the temperature of the semiconductor wafer W reached the second preheating temperature T3, the surface of the semiconductor wafer W is irradiated with the second flash light from the flash lamp FL (step S8). The flash light irradiation time in the second flash light irradiation is also 1 millisecond or more and 100 millisecond or less. That is, the second flash light irradiation is also a millisecond annealing step in which the heating time is 1 second or less. When the surface of the semiconductor wafer W is irradiated with flash light having an irradiation time of 1 millisecond or more and 100 milliseconds or less, the surface is instantaneously raised to the peak temperature (maximum reached temperature) and then rapidly lowered. do. The peak temperature T4 on the surface of the semiconductor wafer W in the second flash light irradiation is 1000 ° C. or higher and 1250 ° C. or lower, which is higher than the peak temperature T2 on the surface of the semiconductor wafer W in the first flash light irradiation.
第２のフラッシュ光照射は窒素雰囲気中にて実行される。窒素雰囲気中にて半導体ウェハーＷにフラッシュ光が照射されて半導体ウェハーＷの表面が瞬間的にピーク温度Ｔ４にまで加熱されることにより、不純物導入層１０２中の不純物が活性化される。第２のフラッシュ光照射の照射時間は１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下の極めて短時間であるため、不純物導入層１０２中の不純物は深く拡散することなく活性化される。なお、不純物の活性化に必要な時間はその熱拡散に必要な時間に比較して極めて短いため、０．１ミリセカンドないし１００ミリセカンド程度の拡散が生じない短時間であっても活性化は完了する。
The second flash light irradiation is performed in a nitrogen atmosphere. Impurities in the
また、不純物導入層１０２の上にシリコン酸化膜１０３が形成された状態で第２のフラッシュ光照射は実行されるため、シリコン酸化膜１０３によって不純物導入層１０２中の不純物の外方拡散を抑制しつつ当該不純物の活性化を行うことができる。すなわち、シリコン酸化膜１０３がバリア層として機能し、フラッシュ加熱時における不純物の外方拡散による脱離を抑止するのである。
Further, since the second flash light irradiation is executed with the
第２のフラッシュ光照射が終了した後に熱処理後の半導体ウェハーＷがチャンバー６から搬出される（ステップＳ９）。具体的には、第２のフラッシュ光照射終了後にハロゲンランプＨＬが消灯することにより、半導体ウェハーＷの温度は第２予備加熱温度Ｔ３からも降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は下部放射温度計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、下部放射温度計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の熱処理が完了する。
After the second flash light irradiation is completed, the heat-treated semiconductor wafer W is carried out from the chamber 6 (step S9). Specifically, the halogen lamp HL is turned off after the end of the second flash light irradiation, so that the temperature of the semiconductor wafer W is also lowered from the second preheating temperature T3. The temperature of the semiconductor wafer W during the temperature decrease is measured by the
本実施形態においては、不純物が導入されたシリコンの半導体ウェハーＷに酸素を含む酸化雰囲気中にて第１予備加熱を行うとともに第１のフラッシュ光照射を行うことにより、半導体ウェハーＷの表面にシリコン酸化膜１０３を形成している。シリコン酸化膜１０３は、不純物導入層１０２を覆うように形成される。その後、窒素雰囲気中にて半導体ウェハーＷに第２のフラッシュ光照射を行うことにより、シリコン酸化膜１０３によって不純物の外方拡散を抑制しつつ不純物を活性化している。すなわち、不純物活性化のための第２のフラッシュ光照射に先行してシリコン酸化膜１０３を形成しておくことにより、第２のフラッシュ光照射を行ったときに不純物の外方拡散による脱離を防止することができるのである。その結果、不純物の活性化効率を高めることができるとともに、不純物の外方拡散に起因したチャンバー６の内壁面の汚染やガス排気管８８の汚染を防止することができ、清掃作業に要する時間およびコストを低減することができる。
In the present embodiment, the surface of the semiconductor wafer W is made of silicon by first preheating the semiconductor wafer W of silicon into which impurities have been introduced in an oxidizing atmosphere containing oxygen and irradiating the first flash light. It forms an
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、酸素を含む酸化雰囲気を形成していたが、これに限定されるものではなく、オゾンを含む酸化雰囲気中にて熱処理を行ってシリコン酸化膜１０３を形成するようにしても良い。オゾンを含む酸化雰囲気中にて半導体ウェハーＷの加熱処理を行うことにより、シリコン酸化膜１０３の成長速度を高めることが可能となる。或いは、酸素とオゾンとの混合雰囲気中にて半導体ウェハーＷに加熱処理を行ってシリコン酸化膜１０３を形成するようにしても良い。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be modified in various ways other than those described above as long as it does not deviate from the gist thereof. For example, in the above embodiment, an oxidizing atmosphere containing oxygen has been formed, but the present invention is not limited to this, and heat treatment is performed in the oxidizing atmosphere containing ozone to form the
また、第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射を大気圧未満の減圧雰囲気にて行うようにしても良い。すなわち、排気部１９０によってチャンバー６内を大気圧未満に減圧した状態で第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射を行う。第１のフラッシュ光照射および第２のフラッシュ光照射を実行するときのチャンバー６内の圧力は、５ｋＰａ以上１０１３ｈＰａ（＝１気圧）以下の範囲内であれば良い。但し、第１のフラッシュ光照射を行うときの、チャンバー６内の酸素濃度が高いほど、またチャンバー６内の圧力が高圧であるほど、シリコン酸化膜１０３の成長速度は高くなる。
Further, the first flash light irradiation and the second flash light irradiation may be performed in a reduced pressure atmosphere lower than the atmospheric pressure. That is, the first flash light irradiation and the second flash light irradiation are performed in a state where the inside of the chamber 6 is depressurized to less than the atmospheric pressure by the
また、上記実施形態においては、不活性ガス雰囲気として窒素雰囲気を形成していたが、これに限定されるものではなく、不活性ガス雰囲気として例えばアルゴンまたはヘリウムの雰囲気を形成するようにしても良い。 Further, in the above embodiment, the nitrogen atmosphere is formed as the inert gas atmosphere, but the present invention is not limited to this, and the atmosphere of, for example, argon or helium may be formed as the inert gas atmosphere. ..
また、上記実施形態においては、フラッシュランプＦＬから照射時間の短いフラッシュ光を照射することによって半導体ウェハーＷの表面を１秒以下加熱していたが、フラッシュ光に代えてレーザー光を照射して半導体ウェハーＷを加熱するようにしても良い。レーザー光も照射時間が極めて短いため、半導体ウェハーＷの表面の加熱時間を１秒以下としてミリ秒アニール工程を実施することができる。すなわち、半導体ウェハーＷの表面を１秒以下加熱する熱源であれば良い。 Further, in the above embodiment, the surface of the semiconductor wafer W is heated for 1 second or less by irradiating the flash light with a short irradiation time from the flash lamp FL, but the semiconductor is irradiated with laser light instead of the flash light. The wafer W may be heated. Since the irradiation time of the laser beam is also extremely short, the millisecond annealing step can be performed with the heating time of the surface of the semiconductor wafer W set to 1 second or less. That is, any heat source that heats the surface of the semiconductor wafer W for 1 second or less may be used.
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。
Further, in the above embodiment, the
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の予備加熱を行っていたが、これに限定されるものではなく、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て予備加熱を行うようにしても良い。 Further, in the above embodiment, the semiconductor wafer W is preheated by using a filament type halogen lamp HL as a continuous lighting lamp that continuously emits light for 1 second or longer, but the present invention is not limited to this. Instead of the halogen lamp HL, a discharge type arc lamp (for example, a xenon arc lamp) may be used as a continuous lighting lamp to perform preheating.
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
６５ 熱処理空間
７４ サセプタ
７５ 保持プレート
７７ 基板支持ピン
８５ 処理ガス供給源
１０２ 不純物導入層
１０３ シリコン酸化膜
１９０ 排気部
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
1
Claims (6)
前記基板を酸化雰囲気中にて第１予備加熱温度に加熱する第１予備加熱工程と、
前記第１予備加熱温度に加熱されている前記基板に酸化雰囲気中にて光を照射し、前記基板の表面を１秒以下加熱する第１ミリ秒アニール工程と、
前記基板を不活性ガス雰囲気中にて第２予備加熱温度に加熱する第２予備加熱工程と、
前記第２予備加熱温度に加熱されている前記基板に不活性ガス雰囲気中にて光を照射し、前記基板の表面を１秒以下加熱する第２ミリ秒アニール工程と、
を備えることを特徴とする熱処理方法。 It is a heat treatment method that heats a silicon substrate into which impurities have been introduced by irradiating the substrate with light.
The first preheating step of heating the substrate to the first preheating temperature in an oxidizing atmosphere, and
The first millisecond annealing step of irradiating the substrate heated to the first preheating temperature with light in an oxidizing atmosphere and heating the surface of the substrate for 1 second or less.
A second preheating step of heating the substrate to the second preheating temperature in an atmosphere of an inert gas,
A second millisecond annealing step of irradiating the substrate heated to the second preheating temperature with light in an atmosphere of an inert gas to heat the surface of the substrate for 1 second or less.
A heat treatment method comprising.
前記第２ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度は前記第１ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度よりも高温であることを特徴とする熱処理方法。 In the heat treatment method according to claim 1,
A heat treatment method characterized in that the maximum temperature reached on the surface of the substrate in the second millisecond annealing step is higher than the maximum temperature reached on the surface of the substrate in the first millisecond annealing step.
前記第１ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度は７００℃以上１０００℃以下であり、
前記第２ミリ秒アニール工程における前記基板の表面の最高到達温度は１０００℃以上１２５０℃以下であることを特徴とする熱処理方法。 In the heat treatment method according to claim 2,
The maximum temperature reached on the surface of the substrate in the first millisecond annealing step is 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
A heat treatment method characterized in that the maximum temperature reached on the surface of the substrate in the second millisecond annealing step is 1000 ° C. or higher and 1250 ° C. or lower.
前記第１ミリ秒アニール工程では、前記基板の表面にシリコンの酸化膜を形成し、
前記第２ミリ秒アニール工程では、前記酸化膜によって前記不純物の外方拡散を抑制しつつ前記不純物を活性化することを特徴とする熱処理方法。 In the heat treatment method according to any one of claims 1 to 3.
In the first millisecond annealing step, a silicon oxide film is formed on the surface of the substrate, and the silicon oxide film is formed.
The second millisecond annealing step is a heat treatment method characterized in that the oxide film activates the impurities while suppressing the outward diffusion of the impurities.
前記第１ミリ秒アニール工程および前記第２ミリ秒アニール工程は大気圧未満の減圧雰囲気にて行われることを特徴とする熱処理方法。 In the heat treatment method according to any one of claims 1 to 4.
A heat treatment method characterized in that the first millisecond annealing step and the second millisecond annealing step are performed in a reduced pressure atmosphere of less than atmospheric pressure.
前記第１予備加熱工程および前記第１ミリ秒アニール工程は酸素またはオゾンを含む酸化雰囲気中にて行われ、
前記第２予備加熱工程および前記第２ミリ秒アニール工程は窒素を含む不活性ガス雰囲気中にて行われることを特徴とする熱処理方法。 In the heat treatment method according to any one of claims 1 to 5.
The first preheating step and the first millisecond annealing step are performed in an oxidizing atmosphere containing oxygen or ozone.
The heat treatment method, wherein the second preheating step and the second millisecond annealing step are performed in an atmosphere of an inert gas containing nitrogen.
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