(57)【要約】      （修正有）【課題】フラッシュランプを用いて急速加熱する半導体ウエハが割れることなく、且つ、該半導体ウエハが飛び跳ねることが無い半導体ウエハ急速加熱装置を提供する。【解決手段】半導体ウエハ急速加熱装置は、複数本配列されたフラッシュランプ５と、該フラッシュランプ５から放射される光を被加熱物側に反射する反射板６と、からなる光源部２、半導体ウエハＷを支持する支持用台１０を配置した加熱処理チャンバ３、を具備し、前記支持用台１０は、該支持用台上に凹部が設けられ、該凹部を覆うように該半導体ウエハＷを配置した場合に、該支持用台１０と該半導体ウエハＷとの間に空間が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本配列されたフラッシュランプと、該フラッシュランプから放射される光を被加熱物側に反射する反射板と、からなる光源部、半導体ウエハを支持する支持用台を配置した加熱処理チャンバ、を具備し、該フラッシュランプの光によって半導体ウエハを急速加熱処理する半導体ウエハ急速加熱装置において、
前記支持用台は、該支持用台上に凹部が設けられ、該凹部を覆うように該半導体ウエハを配置した場合に、該支持用台と該半導体ウエハとの間に空間が形成されていることを特徴とする半導体ウエハ急速加熱装置。
【請求項２】
前記支持用台は、該凹部の形状が、該半導体ウエハの直径よりやや小さな略円形であり、且つ、その断面は略長方形であることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウエハ急速加熱装置。
【請求項３】
前記支持用台は、該凹部の深さが０．０５ｍｍ乃至０．３ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の半導体ウエハ急速加熱装置。
【請求項４】
前記支持用台は、該支持用台上に配置する該半導体ウエハの直径に対する該凹部の直径の比が、４０％乃至９０％であることを特徴とする請求項２に記載の半導体ウエハ急速加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体ウエハの急速加熱装置に関する。特に、フラッシュランプを用いた半導体ウエハ急速加熱装置であって、該ウエハの保持部の形状に特徴を持つ半導体ウエハ急速加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路の高集積化や微細化が進められており、該半導体ウエハの厚み方向にも複数層の回路を形成する等が成されている。このような半導体集積回路を形成する場合、該半導体ウエハの表層部分に、例えば薄い不純物拡散層を形成する等の方法が知られている。この方法は、該半導体ウエハの表層部分におけるＳｉ結晶に、例えばイオン注入等により不純物を導入し、該半導体ウエハに熱処理を施すことにより、該表層部分に不純物拡散層を形成させるものである。該不純物拡散層を形成する場合、不純物が導入された該半導体ウエハをできるだけ短時間の間に加熱処理をすることが重要となる。不純物が導入された該半導体ウエハが長時間の間高温に曝されると、該不純物が熱拡散する距離が長くなり、不純物拡散層の厚みが大きくなってしまい、薄い不純物拡散層が形成できなくなってしまうためである。
【０００３】
該不純物拡散層を形成するためには、該半導体ウエハを例えば１０００℃以上に昇温することが必要であり、且つ、該不純物拡散層の厚みを薄くするためには、極力短い時間で１０００℃以上の温度の昇降温処理が必要になる。このように、短時間で急速な昇降温を実現する装置として、ＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）装置が知られている。該ＲＴＰ装置の加熱源としては、ハロゲンランプが広く用いられており、該ハロゲンランプから放射される光を点灯点滅することにより、該半導体ウエハの急速な昇降温を実現している。
【０００４】
しかし、近年の半導体集積回路の更なる高集積化や微細化、また回路駆動時の消費電力の低減や回路自身の高速化に伴って、該不純物拡散層の厚みを極めて薄く形成することが必要になってきた。例えば、２０ｎｍ以下の不純物拡散層を形成する場合に、ハロゲンランプによる急速加熱では、熱的な拡散距離が長くなり、薄い層が形成できないといった問題が出てきた。そこで、ＲＴＰ装置の加熱源として、フラッシュランプを用い、フラッシュ点灯することにより、非常に高いエネルギーを短時間で該半導体ウエハに投入し、瞬時に昇降温する装置が提案されている。このような技術としては、例えば特開平２００４−３１５５７号公報がある。
【０００５】
図５に、従来のフラッシュランプを用いた光加熱装置の概要を示す。光加熱装置４１は、シリコン等からなる半導体ウエハＷを被処理物とするものであって、雰囲気ガス導入口４２Ａと、排出口４２Ｂとを有する石英ガラス製のチャンバー４４と、このチャンバー４４内に配置された半導体ウエハを支持するための支持用台４５とを備えている。チャンバー４４の天井面（図５において上面）には、石英の平板４６が気密な透光部材として設けられる。
【０００６】
該平板４６の上方には、フラッシュランプ４８が加熱源として設けられ、チャンバー４４の下方には予備加熱手段としてのハロゲンヒータランプ４９が設けられている。このハロゲンヒータランプ４９は、支持用台４５に埋設されて、チャンバー制御回路５０により温度制御される。このチャンバー制御回路５０では、支持用台４５の昇降機能や雰囲気ガス導入口４２Ａ、排出口４２Ｂの開閉制御なども行なわれる。
【０００７】
この光加熱装置４１によれば、不純物が導入されたシリコンからなる半導体ウエハＷがチャンバー４４内に搬入されると、ハロゲンヒータランプ４９により半導体ウエハＷを不純物の熱拡散が問題にならない所定温度まで予備加熱した後、フラッシュランプ４８を発光させることで半導体ウエハＷへの閃光放射による熱処理が行なわれる。このような熱処理により、半導体ウエハＷはその表層部分が急速に高温になるよう加熱され、その後、急速に冷却されてチャンバー４４から搬出される。なお、予備加熱は、ウエーハの厚み方向の温度勾配を小さくすることと照射面の温度を必要な程度まで上昇させるために必要なランプに注入するエネルギーを最小に留めるという理由で行なうことが好ましく、加熱温度は、３００〜５００℃の範囲から選択され、例えば、３５０℃である。また、ハロゲンヒータランプ４９とフラッシュランプ４８による熱処理中における半導体ウエハＷの表面温度は１０００℃以上になり、具体的には１０００℃〜１３００℃の範囲で熱処理される。このように、半導体ウエハＷにおける最大温度を１０００℃以上にまで加熱することにより、ウエハ表層部分に確実に不純物拡散層を形成することができる。
【０００８】
フラッシュランプ４８は、平板４６に沿って等間隔で並行に配列されており、これらフラッシュランプ４８に対して共通の反射鏡５１が覆い被さり、この反射鏡５１をケーシング５２が収納する。また、各フラッシュランプ４８の点灯動作は給電装置５３により制御される。
【特許文献１】特開平２００４−３１５５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記のようなフラッシュランプを用いた光加熱装置で半導体ウエハを急速加熱する場合、該フラッシュランプを点灯させるパルス電流のピーク値に対する半値半幅の時間であるパルス幅を短くするにつれて、該半導体ウエハが光照射により飛び跳ねるといった問題が発生した。この飛び跳ねる理由は、次のように考えられる。該半導体ウエハの光照射される面が光照射に伴って急激な熱膨張を発生する。この時、該半導体ウエハの光照射された面と、支持用台側の面との間での温度差によって生じる熱膨張の差によって、該半導体ウエハが瞬時に該フラッシュランプ側（以下、上方と称する）に凸状に変形を起こす。この変形は、非常に短時間で発生するため、該半導体ウエハの端面で該支持用台を叩き付ける様な力が発生し、結果として該半導体ウエハ自身が飛び跳ねることになると考えられる。また、該フラッシュランプから放射される光のエネルギーが３０Ｊ/ｃｍ２以上であって、パルス点灯される一回のパルス幅が０．８ｍｓで照射した場合、該半導体ウエハが光照射によって割れるといった新たな問題が生じた。
【００１０】
この発明が解決しようとする課題は、半導体ウエハをフラッシュランプを用いて急速加熱する場合に、該半導体ウエハが割れることなく、且つ、該半導体ウエハが飛び跳ねたりすることが無い該半導体ウエハの保持構造を持つ半導体ウエハ急速加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の半導体ウエハ急速加熱装置は、複数本配列されたフラッシュランプと、該フラッシュランプから放射される光を被加熱物側に反射する反射板と、からなる光源部、半導体ウエハを支持する支持用台を配置した加熱処理チャンバ、を具備し、該フラッシュランプの光によって半導体ウエハを急速加熱処理する半導体ウエハ急速加熱装置において、前記支持用台は、該支持用台上に凹部が設けられ、該凹部を覆うように該半導体ウエハを配置した場合に、該支持用台と該半導体ウエハとの間に空間が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
更には、前記支持用台は、該凹部の形状が、該半導体ウエハの直径よりやや小さな略円形であり、且つ、その断面は略長方形であることを特徴とする。
【００１３】
また、前記支持用台は、該凹部の深さが０．０５ｍｍ乃至０．３ｍｍであることを特徴とする。
【００１４】
また、前記支持用台は、該支持用台上に配置する該半導体ウエハの直径に対する該凹部の直径の比が、４０％乃至９０％であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体ウエハ加熱装置によれば、該半導体ウエハと該支持用台との間に、該支持用台に設けられた凹部と該半導体ウエハとで囲まれる空間が形成されており、該半導体ウエハを急速加熱しても、該空間によって該半導体ウエハが飛び跳ねたり割れるといったことがない、という効果が発生する。この効果は、以下の様な現象によるものと考えられる。該半導体ウエハにフラッシュランプからの光が照射されると、該半導体ウエハの光を照射した面が急激に昇温し、この昇温に伴う急速な熱膨張を起こす。これに対し、該半導体ウエハの支持用台側の面は光による加熱が無いので、急激な温度上昇をすることが無く、熱膨張も少ない。このような温度差にともない、該半導体ウエハの表裏面での熱膨張による伸びに差が生じる。この熱膨張による伸びの差によって、該半導体ウエハの光照射側の面には引っ張り方向の力が加わり、該支持用台側の面には圧縮方向の力が発生する。このため、該半導体ウエハは、該フラッシュランプ側（上方）に凸状に変形する。この変形は、非常に短時間で発生するため、該半導体ウエハの端面で該支持用台を叩き付ける様な力が発生し、該半導体ウエハ自身を飛び跳ねさせようとする。一方、該支持用台に設けられた凹部と該半導体ウエハとで覆われた該空間の体積は、該半導体ウエハの変形に伴って増加する。該空間には、該加熱処理チャンバー内と同じ圧力の気体が、該半導体ウエハを該支持用台に配置することで閉じ込められており、該半導体ウエハの変形に伴う該空間の体積の増加により、該空間内の圧力は急激に低下する。この圧力低下によって、該半導体ウエハを下方に引っ張る力が発生する。これにより、該半導体ウエハが上方に飛び跳ねようとする力が抑制される、と考えられる。
【００１６】
更には、該凹部の形状が該半導体ウエハの直径よりやや小さな略円形であり、且つ断面は略長方形であるので、該凹部と該半導体ウエハで取り囲まれることにより形成される空間の体積の設定が容易であり、該半導体ウエハが飛び跳ねたり割れたりすることが無い、といった効果がある。
【００１７】
また、該凹部の深さが０．０５ｍｍ乃至０．３ｍｍの範囲であるため、光照射時のパルス幅や照射エネルギーに係らず、該半導体ウエハが該支持用台から飛び跳ねたり割れることが無いといった効果がある。
【００１８】
また、該支持用台上に配置する該半導体ウエハの直径に対する該凹部の直径の比が、４０％乃至９０％であるので、該半導体ウエハの直径に係らず、該半導体ウエハに割れが生じることが無い。更には、該半導体ウエハを予備加熱する場合であっても、該半導体ウエハ全体に亘って均一な熱処理が可能となる、といった効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の半導体ウエハ加熱装置は、複数本のフラッシュランプを並列配置した光源部を持ち、半導体ウエハを予備加熱する予備加熱機構部とを備え、該半導体ウエハを加熱処理する際に保持する支持用台を具備した半導体ウエハ加熱装置であって、該支持用台と処理する半導体ウエハとの間に、薄いガス層を設けることで、該半導体ウエハの急速加熱時に発生する割れを抑制するものである。
【実施例１】
【００２０】
本発明の第１の実施例として半導体ウエハ急速加熱装置１の概略断面図を図１に示す。該半導体ウエハ急速加熱装置１は、光源部２と、加熱処理チャンバ部３と、予備加熱機構部４と、から構成されている。該光源部２には、管状のフラッシュランプ５と反射ミラー６が配置され、例えば石英ガラスから成る光透過性窓部７が設けられている。該加熱チャンバ部３には、半導体ウエハ出入口８、雰囲気ガス導入口９、支持用台１０が具備され、該支持用台１０の上に加熱処理される半導体ウエハＷが搬送される。該支持用台１０には、凹部２０が形成されており、該支持用台１０に該半導体ウエハＷを置いた場合に、該半導体ウエハＷの該支持用台側に一定の体積分の空間を設けている。また、該加熱チャンバ部３には、該光源部２から放射される光を取り込む窓部１１が設けられ、該光透過性窓部７と接続されている。本実施例では該光透過性窓部７に用いられる石英ガラスから成る板材等によって該光源部２と該加熱チャンバ部３の各々が仕切られているが、該加熱チャンバ部３の窓部１１にも、例えば石英ガラスから成る光透過性部材を配置しても良い。また、該支持用台１０と該予備加熱機構部４とは、伝熱部１２によって仕切られ、該加熱チャンバ部３と該予備加熱機構部４とを分けている。本実施例においては、該伝熱部１２は、例えば石英ガラス等からなる光透過性の板状部材を用いている。該予備加熱機構部４は、棒状のハロゲンランプ１３が複数本設けられ、該伝熱部１２側に光を反射する反射板１４が設けられている。本実施例では、該予備加熱機構部４が、該ハロゲンランプ１３を配置した光加熱タイプを示したが、シーズヒータ等の伝熱タイプのヒータであっても良い。該伝熱タイプの場合、該伝熱部１２は、金属等の伝熱部材であれば良く、光透過性部材を用いなくても良い。
【００２１】
該半導体ウエハ急速加熱装置の該加熱処理チャンバ部３には、該半導体ウエハＷが搬送用ロボットアーム等によって、該半導体ウエハ出入口８から搬送され、支持用台１０上に配置される。その後、該加熱処理チャンバ部３内は、内部のガスを排気し、処理に必要なガス、例えばアルゴン等の不活性ガスで希釈されたシランガス等、が該雰囲気ガス導入口９より規定量だけ導入される。一方、該半導体ウエハＷは、予備加熱機構部４に具備されたハロゲンランプ１４によって１５０℃から６００℃程度に予備加熱される。次に、該フラッシュランプ５を、例えば、投入電力２８Ｊ／ｃｍ２、点灯時間であるパルス幅は０．８ｍｓ、でパルス点灯させる。この時、該半導体ウエハＷの表面温度の最高値（以下、ピーク温度と記す）は、１０００℃以上、好ましくは１０００℃から１３００℃と成るよう熱処理される。
【００２２】
次に、図２として、該支持用台１０に設けられた凹部２０の形状について示す。図２−ａ）は、該支持用台１０に該半導体ウエハＷを置く面側から見た正面図である。該凹部２０の形状が、該半導体ウエハＷの直径より、やや小さい円形となっている。図２−ｂ）は、図２−ａ）における該支持用台１０の中心を通る一点鎖線で切断したＡ−Ａ断面を示したのもである。該Ａ−Ａ断面における該凹部２０の形状は略長方形となっている。該凹部２０には、該半導体ウエハＷを加熱処理する時に、周辺雰囲気と同程度の圧力のガスが該半導体ウエハＷを設置することにより閉じ込められる。該半導体ウエハＷは、急速加熱処理に伴って表面が裏面より高温になり表裏の熱膨張差が生じるため、瞬時に上方へ凸状に変形する。該半導体ウエハの凸状の変形に伴い、該凹部２０と該半導体ウエハＷによって形成された空間の体積は実質的に増加する。この時、該凹部２０に閉じ込められたガスの圧力は、該半導体ウエハの凸状の変形量に伴って減少し、該凹部２０のガス圧が低下することによって、該半導体ウエハＷを下方に引き下げる力が働く。該凹部２０の体積を適宜設計しておくことにより、瞬時に該半導体ウエハが凸状に変形することに伴うガス圧の低下による下方へ引き下げる力が一定範囲に制御され、該半導体ウエハＷが該支持用台２０から飛び跳ねる事が無い。また、該凹部２０内の体積を適宜設計することにより、瞬時に該半導体ウエハが凸状に変形することに伴うガス圧の低下による該半導体ウエハを下方へ引き下げる力を過度に強くすることがなく、該半導体ウエハＷ自身を破壊してしまう事が無い。尚、本実施例では該凹部２０の形状を該半導体ウエハＷの直径より、やや小さい円形であって、断面方向では長方形としたが、該断面方向の形状はこれに限定されるものではなく楕円やＲ形状等であっても良い。
【００２３】
図３には、図１で示した本発明の第１の実施例を用いて、該支持用台１０に設けられた該凹部２０の深さを変えた場合に、各種条件で該半導体ウエハＷが割れるか否かの比較実験の結果を示す。本比較実験は、サイズの異なる半導体ウエハＷとして、３インチ、８インチ、１２インチの３種類のウエハを用いた。また、フラッシュランプ５から放射する光としては、パルス幅５ｍｓ、０．８ｍｓの２種類について照射エネルギーを１０〜６５Ｊ／ｃｍ＾２の間で照射エネルギーを変えた場合について検証した。ここで、パルス幅５ｍｓより長いパルス幅では、電流の振動が発生し、充電器を破壊してしまうため、実質的に５ｍｓが最長のパルス幅である。また、パルス幅０．８ｍｓよりも短いパルス幅で３０Ｊ／ｃｍ＾２以上のエネルギーを投入すると該フラッシュランプにかかる瞬間的な電流密度が高くなり、短時間でランプ管壁の白濁が発生する。このため、パルス幅０．８ｍｓ以下で該フラッシュランプを駆動することは実用的ではない。該半導体ウエハＷと支持用台１０との間に形成される空間の大きさを表す指標としては、該凹部２０の深さ方向の距離を用い、０ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍの各々の場合について比較した。尚、本比較実験において、予備加熱温度は４００℃、該凹部２０の直径は、該半導体ウエハＷの直径に対して８０％の大きさで行った。
【００２４】
該凹部２０の深さが、０ｍｍ、つまり平坦な面に該半導体ウエハＷを配置する従来の構造においては、該半導体ウエハＷの各サイズにおいて、パルス幅５ｍｓでは照射エネルギーが６０Ｊ／ｃｍ＾２で、パルス幅０．８ｍｓでは照射エネルギーが３０Ｊ／ｃｍ＾２で割れが発生した。一方、該半導体ウエハＷのサイズやパルス幅や照射エネルギーといった光の照射条件に係らず、該凹部２０の深さが、０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍの間では割れは発生しなかった。しかし、該凹部２０の深さが、０．４ｍｍになると、該半導体ウエハＷのサイズや、光の照射条件に係らず、光照射に伴い該半導体ウエハＷが瞬時に上方へ凸状に変形し、該半導体ウエハＷ自身が飛び跳ねるといった現象が発生した。更に、照射エネルギーが６０Ｊ／ｃｍ＾２を越えると飛び跳ねる距離が増し、該加熱処理チャンバ部３内の壁等と衝突することによる割れが発生した。このように、本比較実験においては、該凹部２０の深さが、０．０５〜０．３であれば該半導体ウエハＷの割れが発生しなかった。
【００２５】
次に、図４として前記比較実験についての捕捉実験の結果を示す。図４−１は、予備加熱温度を変えた場合について行った捕捉実験結果である。従来の形状では、該半導体ウエハＷの割れが発生し、本発明の形態では割れが発生しなかった条件を用いて、予備加熱温度を変え加熱処理を行った。具体的には、該半導体ウエハＷとして、３インチのサイズを用い、光照射条件は、パルス幅５ｍｓ、照射エネルギー６０Ｊ／ｃｍ＾２、該凹部２０の深さとして０ｍｍ、０．１ｍｍとした。図４−１に示すように、予備加熱温度が１５０℃〜５５０℃において、該凹部２０の深さが０ｍｍの場合は予備加熱温度３５０℃で割れが発生している。一方、該凹部２０の深さが０．１ｍｍの場合は、各予備加熱温度で割れは発生しなかった。この結果より、割れの発生と予備加熱温度との間には関係が無いと考えられる。
【００２６】
また、図４−２として、該半導体ウエハＷの直径に対する該凹部２０の直径の占める割合を変えた場合の実験結果を示す。該半導体ウエハＷのサイズは３インチ、光の照射条件はパルス幅５ｍｓ、照射エネルギー６０Ｊ／ｃｍ＾２、予備加熱温度４００℃とし、該凹部２０の深さを０ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍの各場合について、該半導体ウエハＷの直径に対する該凹部２０の直径の割合を変えて実験した。該凹部２０の深さが０ｍｍと０．４ｍｍの場合、該凹部の直径に係らず該半導体ウエハＷは割れが発生した。一方、該凹部２０の深さが０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍの間においては、該凹部２０の直径が占める割合が３０％以下ではいずれの場合も割れが発生したが、４０％以上では割れは発生しなかった。つまり、該凹部２０の直径は該半導体ウエハＷの直径に対して４０％以上あれば割れが発生しないことになる。尚、この割合が９５％以上になると、該半導体ウエハＷの加熱処理が均一にできなくなる場合が発生しており、実用的にはこの割合が９０％以下が望ましい。また、該半導体ウエハＷのサイズを１２インチにした場合についても確認実験を行ったが、該半導体ウエハＷの直径に対する該凹部２０の直径の占める割合が４０％以上は割れの発生は無かった。尚、１２インチでの実験条件は、該凹部２０の深さを０．２ｍｍとし、予備加熱温度を４００℃、光の照射条件をパルス幅５ｍｓ、照射エネルギー６０Ｊ／ｃｍ＾２で行った。尚、３インチの場合と同様に、該半導体ウエハＷの直径に対する該凹部２０の直径の占める割合が９５％以上では該半導体ウエハＷの加熱処理が均一にできなくなる場合が発生しており、１２インチの場合でも実用的にはこの割合が９０％以下が望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明における半導体ウエハ急速加熱装置の概略断面図。
【図２】この発明における半導体ウエハ急速加熱装置の支持用台形状を示す図。
【図３】この発明の構成における実験結果を示す図
【図４】この発明の構成における実験結果を示す図
【図５】従来の半導体ウエハ急速加熱装置の概略断面図。
【符号の説明】
【００２８】
１      半導体ウエハ急速加熱装置
２      光源部
３      加熱処理チャンバ部
４      予備加熱機構部
５      フラッシュランプ
６      反射ミラー
７      光透過性窓部
８      半導体ウエハ出入口
９      雰囲気ガス導入口
１０    支持用台
Ｗ      半導体ウエハ
１１    窓部
１２    伝熱部
１３    ハロゲンランプ
１４    反射板
２０    凹部
４１    光加熱装置
４２Ａ  雰囲気ガス導入口
４２Ｂ  排出口
４４    チャンバー
４５    支持用台
４６    平板
４７    透光部材
４８    フラッシュランプ
４９    ハロゲンヒータランプ
５０    チャンバー制御回路
５１    反射鏡
５２    ケーシング
５３    給電装置
【図１】
2006324389.tif 000003
【図２】
2006324389.tif 000004
【図３】
2006324389.tif 000005
【図４】
2006324389.tif 000006
【図５】
2006324389.tif 000007