(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波の照射により成長するグレインを少なくとも一部に有する基板を載置可能な載置部と、
前記基板に対してマイクロ波を照射する照射部と、
前記照射部が照射する前記マイクロ波の周波数を、前記グレインの共鳴周波数に近づけるように、前記照射部を制御する制御部と、
前記グレインの成長に伴い変化する前記共鳴周波数の時系列データを記憶する記憶部を備え、
前記制御部は、前記記憶部から前記共鳴周波数を得て、前記マイクロ波の周波数を前記共鳴周波数に近づけるように、時間とともに変化させる半導体製造装置。
【請求項２】
マイクロ波の照射により成長するグレインを少なくとも一部に有する基板を載置可能な載置部と、
前記基板に対してマイクロ波を照射する照射部と、
前記照射部が照射する前記マイクロ波の周波数を、前記グレインの共鳴周波数になるように、前記照射部を制御する制御部と、
前記グレインの成長に伴い変化する前記共鳴周波数の時系列データを記憶する記憶部を備え、
前記制御部は、前記記憶部から前記共鳴周波数を得て、前記マイクロ波の周波数を前記共鳴周波数になるように前記照射部を制御する半導体製造装置。
【請求項３】
前記記憶部は、前記共振周波数を次式で表される時系列データとして記憶する請求項１又は請求項２のいずれかに記載の半導体製造装置。
【数１】
0005717598.tif 000010
【請求項４】
前記制御部は、前記周波数が時間の平方根に対して反比例するように、前記照射部を制御する請求項１乃至３いずれか１項に記載の半導体製造装置。
【請求項５】
前記基板を透過するマイクロ波の透過量を計測する計測部を備え、
前記制御部は、前記透過量が規定値以上の場合に、前記透過量を減少させる方向に前記周波数を変化させる、請求項１乃至４いずれか１項に記載の半導体製造装置。
【請求項６】
マイクロ波の照射により成長するグレインを少なくとも一部に有する基板を載置する載置ステップと、
前記基板に対してマイクロ波を照射する照射ステップと、
前記照射ステップにより照射する前記マイクロ波の周波数を、前記グレインの共鳴周波数に近づけるように制御する制御ステップと、
前記制御ステップは、前記グレインの成長に伴い変化する前記共鳴周波数の時系列データを記憶する記憶部から前記共鳴周波数を得て、前記マイクロ波の周波数を前記共鳴周波数に近づけるように、時間とともに変化させる半導体製造方法。
【請求項７】
マイクロ波の照射により成長するグレインを少なくとも一部に有する基板を載置する載置ステップと、
前記基板に対してマイクロ波を照射する照射ステップと、
前記照射ステップにより照射する前記マイクロ波の周波数を、前記グレインの共鳴周波数になるように制御する制御ステップと、
前記制御ステップは、前記グレインの成長に伴い変化する前記共鳴周波数の時系列データを記憶する記憶部から前記共鳴周波数を得て、前記マイクロ波の周波数を前記共鳴周波数になるように制御する半導体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体製造装置および半導体製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスにおいて、シリコン基板に対してマイクロ波を照射することによりアニール処理を行うマイクロ波アニールがある。このマイクロ波アニールでは、非熱的なシリコンの結晶化により、光アニール等を用いた場合と比べて低温でのアニールが実現できる。
【０００３】
しかしながら、シリコンの結晶状態によってマイクロ波を吸収する効率が最大となる周波数は変化するために、結晶状態により常に吸収効率を最大とするような効率的なアニール処理を行うことは容易ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許公開公報２００９−０１８４３９９号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】J. N. Lee, et. al., J. Appl. Phys. , 82(6), 15, 1997
【非特許文献２】L. Guttman, W. Y. Ching, and Jagannath Rath, PRL, vol. 44, no. 23, 1980
【非特許文献３】L. Ley, J. Reichardt, and R. L. Johnson, vol. 49, no. 22, 1982
【非特許文献４】J. H. Booske, et. al. , J. Mater. Res., vol. 7, No. 2, 1992
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
効率的なアニール処理を行うことが可能な半導体製造装置および半導体製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の半導体製造装置は、マイクロ波の照射により成長するグレインを少なくとも一部に有する基板を載置するサセプタと、前記基板に対してマイクロ波を照射する照射部と、前記照射部が照射する前記マイクロ波の周波数を、前記グレインの共鳴周波数に近づけるように、前記照射部を制御する制御部とを備える。
【０００８】
実施形態の半導体製造方法は、サセプタに載置される、少なくとも一部にグレインを有する基板に対してマイクロ波を照射するステップと、前記マイクロ波の周波数を、前記グレインの共鳴周波数に近づけるステップとを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第一の実施形態に係る半導体製造装置の構成図。
【図２】グレインの結晶成長を説明する模式図。
【図３】メモリが記憶する共鳴周波数の時系列データの一例。
【図４】第二の実施形態に係る半導体製造装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、発明を実施するための実施形態について説明する。
【００１１】
（第一の実施形態）
図１は、第一の実施形態に係る半導体製造装置１００の構成図である。
【００１２】
半導体製造装置１００は、半導体基板における回路の製造プロセスにおいて、半導体基板の材料となるウェハ等の基板（以下ではシリコン基板１０）に対してマイクロ波を照射することによりアニール処理を行う。
【００１３】
このアニール処理は、半導体のキャリア生成のためにシリコン基板１０に不純物をドープする際に生じるシリコン結晶格子の格子欠陥を修復するために必要なプロセスである。これにより、一旦は電気的に不活性状態となる回路を活性状態にすることができる。
【００１４】
一般的に、アニール処理には、ハロゲンランプやキセノンランプを用い、シリコン基板１０を１０００℃以上の高温にする光アニール（例えば、ＲＴＰ、ＦＬＡ、ＬＳＡ等）が用いられる。しかしながら、このような高温のもとでは、シリコン基板１０内の不純物は拡散をしてしまうために、回路のリーク電流が増加してしまうことになる。
【００１５】
そこで、本実施形態の半導体製造装置１００では、６００℃以下の比較的低温でのアニール処理を行うことができるマイクロ波を用いる（マイクロ波アニール）。これにより、光アニールを用いる際に問題となる不純物の拡散を抑制することができるために、回路のリーク電流を減少させることができる。
【００１６】
ここで、半導体製造装置１００の構成について説明する前に、マイクロ波アニールとシリコンの結晶化との関係について説明する。
【００１７】
一般的に、アニール処理によるシリコン基板１０の回路の電気的な活性化の度合いは、シリコンの結晶格子の規則性の高さが重要な指標となる。すなわち、シリコン基板１０において、結晶格子が規則的になり、電気的な活性状態となると考えられる。
【００１８】
前述のキャリア生成の際には、シリコン基板１０に対して不純物をドープすることで、部分的にシリコン基板１０の結晶格子が不規則なアモルファスシリコン（非結晶）の状態になっているものと考えられる。このアモルファスシリコンは、具体的には部分的に結晶化したポリシリコン（グレイン）が集まって形成される。
【００１９】
非特許文献１では、X線回折の実測により、マイクロ波アニールによってシリコン結晶格子の規則性が高くなることが確認されている。また、前述のようにアニール処理の段階においては、部分的にシリコン基板１０がアモルファスシリコンの状態であることを考慮すると、マイクロ波アニールを行うことで、マイクロ波は少なくともアモルファスシリコンのグレインにより吸収されることが考えられる。
【００２０】
以上により、シリコン基板１０内のアモルファスシリコンを形成するグレインによりマイクロ波が吸収され、このグレインが非熱的に結晶成長することで、アモルファスシリコンの結晶格子の規則性が高くなる（結晶化する）ものと考えられる。これにより、低温での回路の活性化が実現できると考えられる。
【００２１】
図１の半導体製造装置１００は、シリコン基板１０を支持するサセプタ１０１、サセプタ１０１を覆い、内部の雰囲気が制御されている容器１０２、マイクロ波を照射する電波源１０３、電波源１０３が照射するマイクロ波の周波数を制御する制御部１０４、電波源１０３が照射するマイクロ波の周波数の時系列データを記憶するメモリ１０５を備える。
【００２２】
サセプタ１０１は、シリコン基板１０を支持するための基台である。このサセプタ１０１に支持されているシリコン基板１０の表面の数百nmの表層には、様々なパターンを持つ回路が形成されている。また、シリコン基板１０内には不純物がドープされており、シリコン基板１０は部分的にアモルファスシリコンの状態になっている。
【００２３】
容器１０２は、内部の雰囲気（温度や圧力、ガスの成分等）がアニール処理に適した条件に制御されている。一般にアニール処理の段階では、温度は３５０℃から６５０℃程度で、圧力は常圧であることが好ましい。また、ガスの成分としては、酸化を防ぐために窒素ガスを用いることが好ましい。
【００２４】
また、後述の電波源１０３が照射するマイクロ波を透過する必要性に加え、ある程度の耐熱性を有する必要性から、例えば透明石英等を材質とする容器であることが好ましい。
【００２５】
そこで、容器１０２の一部には、ガス供給装置１０６が取り付けられ、このガス供給装置１０６から容器１０２内には窒素ガスが供給される。また、容器１０２にはガス排出口１０７が設けられ、このガス排出口１０７から窒素ガスが排出される。容器１０２内にはヒーター等の熱源１０８が設けられ、後述の制御部１０４により容器１０２内の温度が制御されている。
【００２６】
電波源１０３は、容器１０２外にサセプタ１０１に対向して設けられる。この電波源１０３は、サセプタ１０１に支持されているシリコン基板１０に対してマイクロ波を照射する。これにより、シリコン基板１０のアモルファスシリコンを形成するグレインを徐々に結晶成長させ、アモルファスシリコンを結晶化することで、アニール処理を行う。
【００２７】
電波源１０３は、例えば１GHzから１００GHz程度の範囲で異なる周波数のマイクロ波を照射できることが好ましい。
【００２８】
制御部１０４は、電波源１０３を制御して電波源１０３が照射するマイクロ波の周波数を、予めメモリ１０５が記憶する周波数の時系列データに沿って変化させる。このメモリ１０５が記憶する周波数は、後述するように材質（本実施形態ではシリコン）により固有のパターンである。
【００２９】
具体的には、アニール処理の開始時刻をゼロとして、例えば１秒ごとにマイクロ波の周波数をメモリ１０５から読み出し、電波源１０３が照射するマイクロ波の周波数を、メモリ１０５から読み出した周波数に近づける方向に制御する。
【００３０】
また、制御部１０４は、容器１０２内の雰囲気を制御する。具体的には、温度センサ（図示せず）により計測される容器１０２内の温度を既定の温度に近づける方向に熱源１０８に対して発熱量を指示することで、容器１０２内の温度を制御する。
【００３１】
また、制御部１０４は、必要に応じて圧力センサ（図示せず）により計測される容器１０２内の圧力を既定の圧力に近づける方向に、ガス供給装置１０６に対してガスの供給量を、またガス排出口１０７に対して排出量をそれぞれ指示することで、容器１０２内の圧力を制御することもできる。
【００３２】
この制御部１０４としては、例えばＣＰＵ等の演算処理装置のモジュールとして論理的に実現することができる。
【００３３】
メモリ１０５は、アニール処理開始からの各時刻において、電波源１０３が照射するマイクロ波の周波数の時系列データを記憶している。また、制御部１０４が容器１０２内の雰囲気を制御する際に用いる温度や圧力等の既定値を記憶している。
【００３４】
以下、メモリ１０５が記憶するマイクロ波の周波数の時系列データについて詳細に説明する。
【００３５】
非特許文献２や非特許文献３によれば、結晶欠陥による空孔やダングリングボンドにより非一様な電荷分布を有するアモルファスシリコンにおいて、マイクロ波との相互作用が起こり、マイクロ波が吸収されることが述べられている。
【００３６】
グレインの表面には、アモルファスシリコンと同様にダングリングボンドや空孔が存在する。したがって、グレイン表面には非一様電荷が存在し、マイクロ波の吸収による非熱的な結晶成長が進むことで、グレインサイズは時間とともに徐々に大きくなる。
【００３７】
一般に、マイクロ波の吸収量はマイクロ波の周波数に依存し、吸収量が最大となる際のマイクロ波の周波数を共鳴周波数と呼ぶ。また、この共鳴周波数は、グレインサイズに依存する。したがって、本実施形態の半導体製造装置１００では、グレインの結晶成長に伴い逐次変化する共鳴周波数のマイクロ波を照射することで、効率的にグレインを結晶成長させ、シリコン基板１０の格子欠陥を修復させる。
【００３８】
ここで、グレインサイズと共鳴周波数の関係について説明する。
【００３９】
アニール処理開始時刻t=0[s]とし、時刻t[s]におけるグレインサイズをa(t) [nm]とすると、a(t)はグレインの成長率Γ [1/s] を用いて、
【数１】
0005717598.tif 000002
【００４０】
と表される。ここで、非特許文献１を参照すると、グレインの成長率Γ=10〜100程度の値を用いることができる。
【００４１】
ところで、非特許文献４により、マイクロ波の吸収の共鳴周波数の２乗は、各グレインの持つ非一様電荷（余剰電荷あるいは不足電荷）に比例し、質量に反比例することが示されている。ただし、アモルファスシリコンの場合、ここでいう各グレインとは１辺がグレインサイズを持つ微小なシリコン結晶の塊であり、その内部は結晶化されているものとする。あるいは、完全にアモルファス状態の場合には、例えばシリコン原子そのものをグレインとみなすことができる。
【００４２】
このとき、マイクロ波の共鳴周波数をf [1/s]とし、グレインの質量をMとし、非一様電荷をqとすると、
【数２】
0005717598.tif 000003
【００４３】
となる。
【００４４】
非一様電荷qは、各グレインに存在するダングリングボンドや空孔の多さに比例すると考えられる。また、図２に示すように結晶化が進むにつれて各グレインはお互いに結合し、グレインサイズが増大する。すると、ダングリングボンドや空孔は、主にグレインの表面に残されることになる。つまり、ダングリングボンドや空孔の数は、グレインサイズが大きくなるとともにグレインの表面積に比例して増加すると考えられる。
【００４５】
このとき、グレインの非一様電荷qはグレインの表面積（すなわちグレインサイズaの２乗）に比例し、
【数３】
0005717598.tif 000004
【００４６】
となる。
【００４７】
一方、グレインの質量Mは、シリコンの密度が状態（アモルファス、ポリシリコン、単結晶）によらずほぼ一定であるため、体積（すなわちグレインサイズaの３乗）に比例して、
【数４】
0005717598.tif 000005
【００４８】
となる。
【００４９】
以上の（数３）及び（数４）を（数２）に代入することで、
【数５】
0005717598.tif 000006
【００５０】
が得られる。
【００５１】
以上から、時刻t[s]における共鳴周波数f(t) [1/s]は、グレインサイズa(t)を用いて、
【数６】
0005717598.tif 000007
【００５２】
となる。
【００５３】
さらに、（数６）に（数１）を代入すると、時刻t[s]におけるマイクロ波の吸収の共鳴周波数f(t) [1/s]は次のような式で表されることになる。
【数７】
0005717598.tif 000008
【００５４】
以上より、マイクロ波の周波数を、各時刻に対し、（数７）で表されるような共鳴周波数に設定することで非熱的な結晶化の効率を上げることができる。
【００５５】
なお、前述のように成長率Γが10〜100程度の値であることを考慮すると、アニール処理開始から充分時間が経過した際には、Γt＞＞１が成り立ち、（数７）は次式のように近似することができる。
【数８】
0005717598.tif 000009
【００５６】
したがって、時刻t[s]におけるマイクロ波の吸収の共鳴周波数f(t) [1/s]は、厳密には（数７）により表されるが、（数８）のように時刻tの平方に反比例する傾向を示す周波数の時系列変化であれば、（数７）に含まれるものとみなすことができる。
【００５７】
メモリ１０５は、以上の説明により得られる共鳴周波数の時系列データ（数７）を記憶している。図３に、メモリ１０５が記憶する時系列データの一例を示す。
【００５８】
以下、半導体製造装置１００の動作について説明する。
【００５９】
半導体製造装置１００において、サセプタ１０１上には、シリコン基板１０が支持されている。このシリコン基板１０の表面の回路層には、アモルファスシリコンの領域が形成されている。
【００６０】
電波源１０３は、シリコン基板１０に対して既定の周波数のマイクロ波を照射する。これにより、シリコン基板１０のアモルファスシリコンはマイクロ波を吸収し、非熱的な結晶化が進むと同時に、マイクロ波のエネルギーの一部は熱化して、シリコン基板１０の温度が上昇する（４５０℃から５５０℃程度）。
【００６１】
このとき、容器１０２内の雰囲気は、制御部１０４により制御されているために、シリコン基板１０の温度も一定に保たれる。ここでは、例えば４５０℃に保たれるものとする。シリコン基板１０の温度を例えば温度センサ（図示せず）により検出し、４５０℃に達した時点を初期状態（時刻t＝0）とする。
【００６２】
制御部１０４は、時刻t＝0から例えば１秒ごとに時刻をカウントし、メモリ１０５が記憶する周波数の時系列データからその時刻に対応するマイクロ波の周波数を読み出す。そして、制御部１０４は電波源１０３を制御し、この周波数に対応したマイクロ波が、電波源１０３より照射される。
【００６３】
マイクロ波を吸収しグレインが徐々に結晶成長することで、アモルファスシリコンが結晶化し、格子欠陥が修復される。例えば既定時間が経過した段階で、制御部１０４は電波源１０３の制御を終了し、電波源１０３はマイクロ波の照射を停止する。
【００６４】
これにより、シリコン基板１０に対し、常に共鳴周波数のマイクロ波が照射されることになり、アモルファスシリコンの非熱的な結晶化の効率が増大する。すなわち、アニール時間の短縮や低温化が実現できる。したがって、回路のリーク電流を抑えることが可能となる。
【００６５】
なお、本実施形態では、１GHzから１００GHz程度の周波数領域をカバーする電波源１０３を備える例を説明したが、異なる周波数領域をカバーする電波源１０３を複数備えるものであってもよい。例えば、１GHzから５０GHz程度の範囲で周波数を変化することができる電波源と、５０GHzから１００GHz程度の範囲で周波数を変化することができる電波源を備えることで、この場合には共鳴周波数が５０GHz付近で２つの電波源を切り替えて用いることができる。
【００６６】
（第二の実施形態）
図４は、第二の実施形態に係る半導体製造装置２００の構成図である。ここでは、図１の半導体製造装置１００と同様の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６７】
第一の実施形態に係る半導体製造装置１００は、予めメモリ１０５に記憶している周波数の時系列データを用いて、常に電波源１０３はシリコン基板１０に対して共鳴周波数に近い周波数のマイクロ波を照射するものである。
【００６８】
本実施形態に係る半導体製造装置２００では、図１の構成に加え、サセプタ１０１の直下に、シリコン基板１０を透過するマイクロ波の透過量を計測する計測部１０９を備えている。
【００６９】
シリコン基板１０に対して照射されるマイクロ波の周波数が共鳴周波数の場合には、前述のように、マイクロ波はシリコン基板１０により吸収される。しかしながら、共鳴周波数とは異なる周波数のマイクロ波の大部分はシリコン基板１０により吸収されることなくシリコン基板１０を透過する。
【００７０】
そこで、本実施形態では、このマイクロ波の透過量を用いることで、マイクロ波の周波数を変化する。
【００７１】
制御部１０４は、計測部１０９が計測する透過量を得て、例えば透過量が既定値以上の場合には、透過量が既定値よりも小さくなる方向にマイクロ波の周波数を調整する。
【００７２】
透過量が既定値よりも小さい場合には、第一の実施形態に係る半導体製造装置１００と同様に、メモリ１０５が記憶する周波数の時系列データに従い、マイクロ波の周波数を制御することができる。
【００７３】
これにより、シリコン基板１０や、その表面回路の個体差により、共鳴周波数が（数７）の傾向から変動する場合であっても、制御部１０４が常時周波数を共鳴周波数の方向に調整することができるために、アモルファスシリコンの非熱的な結晶化の効率をさらに増大することが可能となる。
【００７４】
以上説明した少なくとも１つの実施形態の半導体製造装置によれば、効率的なアニール処理を行うことができる。
【００７５】
これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７６】
１０・・・シリコン基板
１００・・・半導体製造装置
１０１・・・サセプタ
１０２・・・容器
１０３・・・電波源
１０４・・・制御部
１０５・・・メモリ
１０６・・・ガス供給装置
１０７・・・ガス排出口
１０８・・・熱源
１０９・・・計測部
【図１】
0005717598.tif 000011
【図２】
0005717598.tif 000012
【図３】
0005717598.tif 000013
【図４】
0005717598.tif 000014