(57)【要約】【課題】光照射開始後の温度上昇工程（開回路制御工程）における光照射強度に分布を持たせ、被加熱体の温度ばらつきを低減することで被加熱体にかかるストレスを軽減する。【解決手段】容器内に被加熱体１０３を支持し、被加熱体１０３の一表面に対向して設けられた平面状の光照射加熱手段１０１により被加熱体１０３を熱処理する光照射熱処理方法であって、光照射加熱手段１０１から光を照射して被加熱体１０３の温度を上昇させる工程において、被加熱体面内の最大温度差が７０℃以下となるような平面的な光強度分布を有する光を被加熱体１０３に照射する。光照射開始後の開回路制御工程において、被加熱体１０３の温度ばらつきを低減することができる。これにより、ストレスを軽減し、ひずみ、ゆがみ、反り、割れ等が無く、被加熱体１０３に作り込まれた半導体装置の特性変動を抑制し、信頼性不良を低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に被加熱体を支持し、前記被加熱体の一表面に対向して設けられた平面状の光照射加熱手段により前記被加熱体を熱処理する光照射熱処理方法であって、前記光照射加熱手段から光を照射して前記被加熱体の温度を上昇させる工程において、前記被加熱体面内の最大温度差が７０℃以下となるような平面的な光強度分布を有する光を前記被加熱体に照射することを特徴とする光照射熱処理方法。
【請求項２】
前記被加熱体の温度を上昇させる工程の後、前記光照射加熱手段から平面的に一様な強度を有する光を前記被加熱体に照射して熱処理する工程を含む請求項１に記載の光照射熱処理方法。
【請求項３】
前記被加熱体が円形状であり、前記光照射加熱手段からの平面的な光強度分布は同心円状の分布である請求項１または２に記載の光照射熱処理方法。
【請求項４】
前記被加熱体は半導体基板からなる請求項１または３に記載の光照射熱処理方法。
【請求項５】
容器内に設けられた被加熱体を支持する支持体と、前記支持体に支持された被加熱体の一表面に対向して設けられた平面状の光照射加熱手段と、前記被加熱体の一表面とは反対側の他表面に対向して設けられた温度測定手段と、前記被加熱体の温度を上昇させるとき、前記被加熱体面内の最大温度差が７０℃以下となるように前記光照射加熱手段の平面内での光照射強度分布を制御する光強度制御手段とを備えた光照射熱処理装置。
【請求項６】
前記光照射加熱手段は、多数の加熱ランプが平面的に配列された集合体からなり、前記加熱ランプの集合体は平面的な複数の領域に分割され、それぞれの領域は互いに独立した光照射強度に設定可能とした請求項５に記載の光照射熱処理装置。
【請求項７】
前記被加熱体は半導体基板からなり、前記加熱ランプの集合体は平面的に同心円状の複数の領域に分割されている請求項６に記載の光照射熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置の製造工程のうち光照射熱処理方法および光照射熱処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ランプタイプの光照射熱処理装置は、半導体製造工程においては例えば、閾値制御のための注入、ソース・ドレインなどのイオン注入後の不純物活性化、高融点金属膜を元にしたシリサイド化、金属シリサイドの低抵抗化などの短時間熱処理に使用される。このタイプの熱処理装置の代表的な構成は、多数個のランプを用い、板状の被加熱体を両面若しくはその一方面から加熱するものである。ランプは被加熱体の表面と対向させ、表面に近い距離に多数一様な密度で配列されている。そして半導体基板のような被加熱体がほぼ一定の温度で加熱処理されている間は、熱処理装置においては被加熱体の両面側若しくはその一面側の近傍に設置された複数個のパイロメータによって、加熱された被加熱体が輻射する電磁波の波長を測定しさらに温度に換算して、被加熱体を所定の温度に維持するようにランプの光照射強度にフィードバック制御している。このように、パイロメータによる測定温度をフィードバックして光照射強度を制御する部分を閉回路制御工程と言う。この閉回路制御工程は、被加熱体から十分な輻射強度が得られる、一定の温度以上で有効に働く。この温度は通常、３００℃から６００℃以上である。
【０００３】
一方、光照射熱処理装置で被加熱体を熱処理を開始する初期の段階においては、一定の光照射強度で、被加熱体を閉回路制御工程で制御可能な温度である３００℃から６００℃以上に昇温するステップがあるが、この工程を開回路制御工程と言う。以上のように光照射熱処理は、この開回路制御工程と、閉回路制御工程から構成される。
【０００４】
また、光照射熱処理工程では短時間に高温まで昇温するので被加熱体にストレスがかかるがこれを緩和するような考慮もなされており、その技術としては例えば特許文献１〜４に記載されている。
【特許文献１】特開平１１−２１４３２３号公報
【特許文献２】特開平９−２４６２００号公報
【特許文献３】特開平３−２１８６２４号公報
【特許文献４】特開２００４−３１８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術では、光照射熱処理装置内での光照射開始直後の開回路制御工程では、一定の光照射強度で被加熱体を急速加熱するために、半導体基板のような被加熱体面内などの位置によって温度上昇速度が一般に異なることから温度分布が生じる。そのために被加熱体はストレスを受け、ひずみ、ゆがみ、反り、割れ等が発生する。また、場合によっては被加熱体に結晶欠陥が入り、被加熱体である半導体基板に作り込まれた半導体素子の特性ばらつき、さらには信頼性不良などを引き起こす場合があるという問題があった。
【０００６】
したがって、この発明の目的は、被加熱体構成材料の熱伝導度と関係した比抵抗に応じて開回路制御工程の光照射強度に分布を持たせ、温度上昇時、被加熱体の温度ばらつきを低減することで被加熱体にかかるストレスを軽減し、ひずみ、ゆがみ、反り、割れ等が無く、特性変動の無い、高信頼性の半導体デバイスが製造できる光照射熱処理方法および光照射熱処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためにこの発明の請求項１記載の光照射熱処理方法は、容器内に被加熱体を支持し、前記被加熱体の一表面に対向して設けられた平面状の光照射加熱手段により前記被加熱体を熱処理する光照射熱処理方法であって、前記光照射加熱手段から光を照射して前記被加熱体の温度を上昇させる工程において、前記被加熱体面内の最大温度差が７０℃以下となるような平面的な光強度分布を有する光を前記被加熱体に照射することを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の光照射熱処理方法は、請求項１に記載の光照射熱処理方法において、前記被加熱体の温度を上昇させる工程の後、前記光照射加熱手段から平面的に一様な強度を有する光を前記被加熱体に照射して熱処理する工程を含む。
【０００９】
請求項３記載の光照射熱処理方法は、請求項１または２に記載の光照射熱処理方法において、前記被加熱体が円形状であり、前記光照射加熱手段からの平面的な光強度分布は同心円状の分布である。
【００１０】
請求項４記載の光照射熱処理方法は、請求項１または３に記載の光照射熱処理方法において、前記被加熱体は半導体基板からなる。
【００１１】
請求項５記載の光照射熱処理装置は、容器内に設けられた被加熱体を支持する支持体と、前記支持体に支持された被加熱体の一表面に対向して設けられた平面状の光照射加熱手段と、前記被加熱体の一表面とは反対側の他表面に対向して設けられた温度測定手段と、前記被加熱体の温度を上昇させるとき、前記被加熱体面内の最大温度差が７０℃以下となるように前記光照射加熱手段の平面内での光照射強度分布を制御する光強度制御手段とを備えた。
【００１２】
請求項６記載の光照射熱処理装置は、請求項５に記載の光照射熱処理装置において、前記光照射加熱手段は、多数の加熱ランプが平面的に配列された集合体からなり、前記加熱ランプの集合体は平面的な複数の領域に分割され、それぞれの領域は互いに独立した光照射強度に設定可能とした。
【００１３】
請求項７記載の光照射熱処理装置は、請求項６に記載の光照射熱処理装置において、前記被加熱体は半導体基板からなり、前記加熱ランプの集合体は平面的に同心円状の複数の領域に分割されている。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の請求項１記載の光照射熱処理方法によれば、光照射開始後の開回路制御工程において、被加熱体の温度ばらつきを低減することができる。これにより、ストレスを軽減し、ひずみ、ゆがみ、反り、割れ等が無く、被加熱体に作り込まれた半導体装置の特性変動を抑制し、信頼性不良を低減することができる。
【００１５】
請求項２では、被加熱体の温度を上昇させる工程の後、光照射加熱手段から平面的に一様な強度を有する光を被加熱体に照射して熱処理する工程を含むので、被加熱体から十分な輻射強度が得られる所定の温度を維持するように測定温度をフィードバックして光照射強度を制御する閉回路制御工程を行うことができる。
【００１６】
請求項３では、被加熱体が円形状であり、光照射加熱手段からの平面的な光強度分布は同心円状の分布であるので、被加熱体の中心からの距離に対応した光強度分布を形成することができる。
【００１７】
請求項４では、被加熱体は半導体基板からなるので、半導体装置の製造工程に実施できる。
【００１８】
この発明の請求項５記載の光照射熱処理装置によれば、光照射強度制御手段により、被加熱体の温度ばらつきを低減することができる。これにより、ストレスを軽減し、ひずみ、ゆがみ、反り、割れ等が無く、被加熱体に作り込まれた半導体装置の特性変動を抑制し、信頼性不良を低減することができる。
【００１９】
請求項６では、光照射加熱手段は、多数の加熱ランプが平面的に配列された集合体からなり、加熱ランプの集合体は平面的な複数の領域に分割され、それぞれの領域は互いに独立した光照射強度に設定可能としたので、多数のランプ集合の光照射強度に分布が生じるように、ランプの集合領域毎に照射すべき光強度を自動的に設定することができる。
【００２０】
請求項７では、被加熱体が半導体基板であり、加熱ランプの集合体は平面的に同心円状の複数の領域に分割されているので、被加熱体の中心からの距離に対応した光強度分布を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
この発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態によるランプタイプ光照射熱処理装置の概略断面図を示す。
【００２２】
図１に示すように、この光照射熱処理装置は、容器内に設けられた被加熱体１０３を支持する支持体１０２と、支持体１０２に支持された被加熱体１０３の一表面に対向して設けられた平面状の光照射加熱手段１０１と、被加熱体１０３の一表面とは反対側の他表面に対向して設けられた温度測定手段１０４と、被加熱体１０３の比抵抗に基づいて、温度測定手段により測定された温度が所定の温度になるように光照射加熱手段１０１の平面内での光照射強度分布を制御する光照射強度制御手段とを備えている。
【００２３】
この場合、装置には被加熱体、特に板状の基板を加熱、昇温するための多数個の円筒状のランプ（光照射加熱手段）１０１が平面状に配列され、被加熱体支持体１０２によって被加熱体１０３が支持されており、多数のランプ１０１と対向している。この支持体１０２は被加熱体１０３をそのごく周辺で支持するのみであって、被加熱体１０３の裏面は露出している状態である。
【００２４】
被加熱体１０３を挟んでランプ１０１と対向して、温度を測定する複数個のパイロメータ（温度測定手段）１０４が設置される。パイロメータ１０４は、被加熱体が輻射する波長を測定し、測定した波長の値から被加熱体の温度を換算する。また不活性ガス導入口１０５から不活性ガスが被加熱体１０３の表面に沿って流れ、不活性ガス排気口１０６から廃棄されるようになっており、その先には排気ポンプ１０７が接続されている。さらに、光照射熱処理時、被加熱体１０３は支持体１０２と共に回転する機構が設けられている。
【００２５】
図２は、図１の光照射熱処理装置におけるランプの平面配置図を示す。図２において複数個の小円がランプの配置を示し、円内に記載の１から１２の番号は、ランプ１０１に供給する電力（パワー）を独立に制御できる領域が計１２あることを示す。すなわち本発明の実施形態の熱処理装置におけるランプ１０１はその電力を１２の領域で独立に制御できるように構成されているのである。また、１０８の円はランプ１０１に対向して載置された被加熱体１０３としての半導体基板８インチ口径である場合の位置を示し、１０９の円は被加熱体支持体１０２の外縁位置を示す。
【００２６】
以上の構成を有する光照射熱処理装置を用いた本発明の実施形態の光照射熱処理方法について説明する。すなわち、パイロメータ１０４の制御可能な温度まで、一定の光照射強度で被加熱体１０３を昇温する開回路制御工程と、パイロメータ１０４によって被加熱体１０３が輻射する波長を測定し、その波長の値から被加熱体１０３の温度を換算して、ランプ１０１の光照射強度を調整する閉回路制御工程とを含む。
【００２７】
具体的に被加熱体１０３が半導体基板の場合は、加熱用ランプの独立パワー制御領域を図３に示すように３つに分ける。すなわちランプの光照射強度分布を３つの領域に分割する。対向する基板周囲よりも内側であり、かつ、基板中心からの距離２０１を半径（８インチ口径の基板半径の約８０％）とする円の領域２０３と、基板周囲よりも内側であり、かつ、領域２０３以外の領域２０４、および基板の外部領域２０５である。なお、半径２０２は８インチ口径基板の外周とほぼ同じである。このように被加熱体１０３が円形状であり、光照射加熱手段からの平面的な光強度分布は同心円状の分布である。
【００２８】
そして実際に基板に熱処理を施すときは、基板（シリコン）の比抵抗が１Ωｃｍ以上の場合には、光照射開始後の開回路制御工程において、図４（ａ）に示すように、領域２０４及び領域２０５には、それら領域にあるランプに同じパワーを投入して同一光照射強度にし、領域２０３の光照射強度を領域２０４および領域２０５より大きくする。また、基板（シリコン）の比抵抗が１Ωｃｍより小さい場合には、光照射開始後の開回路制御工程において、図４（ｂ）に示す通りに、光照射強度を領域２０３、領域２０４、領域２０５全ての領域で一定になるようそれぞれのランプに同じパワーを投入する。
【００２９】
図５は、従来の熱処理による被加熱体の温度時間的変化を示すグラフである。従来のように図1の多数のランプ１０１のすべてに一様な同一パワーを入力し、図４（ｂ）のように一様な光強度分布にして基板に加熱用の光照射を行って得られた基板の温度上昇の時間的変化を示す。グラフの横軸は光照射熱処理時間、縦軸の第一軸は、図１に示すパイロメータ１０４によって、加熱された基板が輻射する波長を測定し、温度に換算した基板の温度であり、Ｔ１、Ｔ６はそれぞれ基板の中心、周辺に対向する位置に設置されたパイロメータを示す記号である。このＴ１とＴ６の測定位置を図６に示す。Ｔ１は基板中心の温度に対応し、Ｔ６は周辺部の温度に対応する。図の黒丸は装置に取り付けられたパイロメータの位置を示し、Ｔ１〜Ｔ６はパイロメータの記号を示す。また、縦軸の第二軸は基板面内における、温度の最も高い部分と低い部分の温度差であり、これをｄｅｌｔａとして示したものである。なお、用いた材料はＣＺ−Ｓｉ基板（比抵抗：１−１０Ωｃｍ）で、通常半導体デバイスを製作するのに一般に広く用いられる基板である。
【００３０】
開回路制御工程において、従来のように図４（ｂ）に示す光照射強度分布を用いた場合、図５の０〜１５ｓｅｃ間の測定温度が示すように、光照射開始後において温度ばらつきが大きくなる。これは、基板に急激な温度上昇が起こって力学的ストレスがかかり、基板がひずみ、その結果、基板が図１の支持体１０２上で跳ねることで上部のランプ光が基板周辺と支持体１０２の隙間から漏れ、パイロメータ１０４に直接入射したため周辺の温度が（Ｔ６）上昇したのである。ここでは、光照射開始後４秒の時点で光の漏れが発生している。
【００３１】
このようなことが起こる場合の模式図を図７に示す。多数個のランプが５０１、被加熱体支持体が５０２、複数個のパイロメータが５０３、正常位置の被加熱体が５０４、ひずみが生じて跳ねた後の被加熱体が５０５、その結果、基板と支持体の隙間から漏れた上部のランプ光が５０６である。こうして光５０６が周辺に位置するパイロメータＴ６に入射して中心より高い温度が測定される。
【００３２】
したがってここで測定された温度は基板の真の温度では無く、ランプ光のもれにより誤測定された温度であり、この状態では測定温度を正確にランプへの入力パワー制御にフィードバックすることができないことになる。この温度ばらつきは、被加熱体のひずみにより生じるため、ストレスの有無を判断する指標とすることもできる。
【００３３】
一方、図８は、本発明の実施形態の熱処理による被加熱体の温度時間的変化を示すグラフである。本発明の実施形態による基板の熱処理方法を用いた場合、すなわち光照射開始後の開回路制御工程において、図１の光照射熱処理装置における多数のランプ１０１を、図４（ａ）に示す光照射強度分布になるようにパワー制御を行った場合の基板温度変化を示す。図８の実験に使用した半導体基板は図５と同様、比抵抗１−１０Ωｃｍのものである。ランプの配列において中心部で光照射強度を高くし、周辺部で低くすると、図８のように基板の周辺（Ｔ６）と中心（Ｔ１）の温度差を少なくできることを示しているが（図８の０〜２０秒程度の期間）これは、従来の光照射加熱のように急速な基板温度上昇によるストレスが小さくなり、基板のそりなどがほとんど起こらなくなり、加熱用ランプ光が直接パイロメータに入射しなくなったためと考えられる。
【００３４】
本発明の実施形態による一つの基板熱処理方法においては、最初の光照射開始後の開回路制御工程で、図４（ａ）に示す光照射強度分布で基板を加熱、温度上昇させ、基板が一定の温度以上あるいは加熱時間が一定時間経過した後、図４（ｂ）に示す一様な光照射強度分布で閉回路制御工程を行う。
【００３５】
図９は、被加熱体の比抵抗と最大温度差との関係を示す図である。図４（ａ）に示す光照射強度分布を用いて光照射急速熱処理の開回路制御工程を、種々の比抵抗を有する基板材料に適用した結果を示す。図の最大温度差は図６のＴ１とＴ６に位置するパイロメータで測定した温度の差である。基板はその直径が８インチであり、ｔｈｅｒｍａｌ ＳｉＯ2は、シリコン基板に熱酸化膜を形成したもの、ＳｉＮはシリコン基板上にＳｉＮ膜を形成したもの、Ｐ-／Ｐｅｐｉ−Ｓｉはシリコン基板に中濃度のＰ型エピタキシャル層を成長させたもの、Ｐ+／Ｐｅｐｉ−Ｓｉは高濃度シリコン基板上に中濃度Ｐ型エピタキシャル成長層を形成したもの、ｄｏｐｅｄＰｏｌｙＳｉはシリコン基板上にリン、ボロン、砒素などを導入したポリシリコン膜を形成したものである。
【００３６】
この結果から比抵抗が１Ω・ｃｍ以上になった場合に、光照射開始後の開回路制御工程において、加熱のための光照射強度に図４（ａ）のような分布を持たせることが、被加熱体のストレス低減に有効である。被加熱体内の最大温度差が７０℃以上あると一般の半導体デバイス特性や信頼性に影響が顕著に表れるので、最大温度差が７０℃以下、基板全体としての比抵抗が１Ω・ｃｍ以上を光照射強度分布を有する開回路制御工程を実施する基準となる。
【００３７】
次に、基板における比抵抗が１Ω・ｃｍ以下のときは、最大温度差が７０℃以上となるが、これは低抵抗の場合、温度変化、温度分布に対する基板の応答が速いのでランプの光照射強度に分布を持たせるとその分布が直接基板内温度分布に反映するものと考えられる。したがって本発明の実施形態では、基板の大部分が比抵抗が１Ω・ｃｍ以下である場合は、熱処理装置のランプの光照射強度を一様にして開回路制御工程を行う。
【００３８】
以上述べた実施の形態では基板における比抵抗が１Ω・ｃｍ以上のとき、ランプの光照射強度を図４（ａ）のように領域２０３と領域２０４＋領域２０５の２領域に分割したが、半導体基板など被加熱体の比抵抗に応じてさらに多くの領域に分割し、それぞれの領域ごとに投入電力、光照射強度を制御し強度分布を形成してもよい。
【００３９】
本発明の実施形態による光照射熱処理装置は図１に示すごとくであるが、熱処理の開回路制御工程に関する図９のような実験結果などから、光照射熱処理を行う前に被加熱体の比抵抗測定を行う手段（比抵抗測定手段）と、被加熱体の測定された比抵抗に基づいて、被加熱体に対向させて平面状に設けられた多数のランプ集合の光照射強度に分布が生じるように、ランプの集合領域毎に照射すべき光強度を自動的に設定する手段（光照射強度制御手段）とを追加した装置にすることができる。被加熱体の比抵抗と、熱処理の開回路制御工程における被加熱体内の最大温度差が７０℃以下と成るようなランプ集合の光照射強度分布との関係を求めそれを上記の光強度分布自動設定手段に入力しておけば上記装置が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明に係る光照射熱処理方法および光照射熱処理装置は、光照射開始後の被加熱体の温度ばらつき低減により、ストレスを軽減し、ひずみ、ゆがみ、反り、割れ等が無く、被加熱体に作り込まれた半導体装置の特性変動を抑制し、信頼性不良を低減することができる等の効果を有し、半導体集積回路デバイス製造工程における種種の熱処理に使用されることはもちろん、急速高温加熱、熱処理によるストレス発生が問題となるデバイスに応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態における光照射熱処理装置の概略図である。
【図２】本発明の実施形態による光照射熱処理装置のランプ配置平面図である。
【図３】本発明の実施形態による光照射熱処理装置のランプの光強度制御領域を示す図である。
【図４】本発明の実施形態にランプの光照射強度分布を示す図である。
【図５】従来の熱処理による被加熱体の温度時間的変化を示すグラフである。
【図６】ランプと被加熱体に対する温度測定パイロメータの相対的位置を示す図である。
【図７】従来例においてランプによる光照射を行ったときの被加熱体のそりを示す図である。
【図８】本発明の実施形態による光照射熱処理方法による被加熱体の温度の時間的変化を示すグラフである。
【図９】被加熱体の比抵抗と最大温度差との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０１  ランプ
１０２  被加熱体支持体
１０３  被加熱体
１０４  パイロメータ
１０５  不活性ガス導入口
１０６  不活性ガス排気口
１０７  ８インチ口径被加熱体位置
１０８  被加熱体支持体位置
２０１  被加熱体中心からの距離
２０２  被加熱体の半径
２０３  被加熱体より内側であって、１０１を半径とする円の領域
２０４  被加熱体より内側であって、１０３以外の領域
２０５  ランプの照射される領域であって、被加熱体以外の領域
５０１  ランプ
５０２  被加熱体支持体
５０３  パイロメータ
５０４  ストレスによるひずみが発生しない場合の被加熱体
５０５  ストレスによるひずみが発生した場合の被加熱体
５０６  被加熱体のひずみにより、パイロメータに直接入射したランプ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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