(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧下の容器内に、基板を載置又は基板に対向して加熱するカーボン製の導電性ヒータと、該導電性ヒータの内部に配置されて熱電子を発生させるフィラメントと、該フィラメントと前記導電性ヒータとの間で該熱電子を加速する加速電源とを備える基板加熱装置において、
前記導電性ヒータを熱分解カーボンで被覆処理し、さらに、該導電性ヒータの内面及び外面の少なくとも一方をタンタルカーバイド（ＴａＣ）で被覆したことを特徴とする基板加熱装置。
【請求項２】
請求項１記載の基板加熱装置を用いて、イオン注入された炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板を、真空において加熱することを特徴とする処理方法。
【請求項３】
請求項２記載の処理方法において、真空での加熱処理中に、少なくともシリコン（Ｓｉ）又は水素（Ｈ）の何れか、又はその両方を含むガスが添加されることを特徴とする処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板加熱装置及び処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体製造技術では、半導体基板を急速に加熱する工程がしばしば必要になる。
【０００３】
特に、非特許文献１に開示されるような炭化珪素（ＳｉＣ）に代表されるワイドバンドギャップ半導体の活性化アニールには、一般に１６００℃以上の高温が必要とされている。
【０００４】
さらに、そのようなアニール処理の中で、アルミニウムを注入したｐウエルを形成する際に、注入された不純物を１００％電気的活性化させ、完全な結晶に回復させることが半導体装置の信頼性上非常に重要であるとされている。
【０００５】
このような活性化アニールプロセスを工業的なレベルに引き上げるには、短時間で加熱処理を終わらせ、処理装置の処理能力を向上させることが必要である。
【０００６】
すなわち、従来実現可能であった温度以上の超高温（２０００℃以上）での処理が必要である。
【０００７】
上記の従来用いられてきた基板加熱装置においては、加速された電子が衝突して加熱されるカーボン製の導電性ヒータは、カーボンに熱分解カーボンの被覆処理をしたものがこれまで利用されてきた。これは、一般に知られているガス不透過性や剥離しにくい特性を利用しているものである。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されているように、一般に入手が安定している熱分解カーボンを被覆処理する温度は１８００℃程度で、その後ハロゲンガス雰囲気中で２０００℃、３時間加熱処理することで緻密化を行っている。
【０００９】
このため、上述のような製法で作製された場合、熱分解カーボン被膜は、２０００℃程度に加熱して使用すると、経時変化により熱分解カーボンの昇華が激しくなり、導電性ヒータ内部の圧力が急激に上昇してしまうときがあるという問題点があった。
【００１０】
この急激な圧力上昇により、導電性ヒータ内部で異常放電が発生し、フィラメントの破損を引き起したりしていた。この熱分解カーボンを被覆処理したカーボン製の導電性ヒータを用いた場合、２０００℃以上の高温では、安定的にかつ、工業的に使えないことがあった。
【特許文献１】特開平１０−４５４７４号公報
【非特許文献１】T.Kimoto, N.Inoue and H.Matsunami: Phys. Stat. Sol. (a) Vol. 162 (1997), p. 263
【非特許文献２】M.Shibagaki, Y.Kurematsu, F.Watanabe, S.Haga, K.Miura, T.Suzuki and M.Satoh: Mater,Sci Form Vol 483-485, 609 (2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、２０００℃を越える高温処理下においても、導電性ヒータ内部の圧力が規定値である１．０×１０−２Ｐａ以下を長期的に維持することを可能とする基板加熱装置及び処理方法を提供することを目的とする。
【００１２】
これにより、炭化ケイ素（ＳｉＣ）へイオン注入後の不純物を１００％電気的に活性させ結晶欠陥を完全に消失させることが、実用的な時間内で処理可能となる基板加熱装置及び処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、減圧下の容器内に、基板を載置又は基板に対向して加熱するカーボン製の導電性ヒータと、該導電性ヒータの内部に配置されて熱電子を発生させるフィラメントと、該フィラメントと前記導電性ヒータとの間で該熱電子を加速する加速電源とを備える基板加熱装置において、前記導電性ヒータを熱分解カーボンで被覆処理し、さらに、該導電性ヒータの内面及び外面の少なくとも一方をタンタルカーバイド（ＴａＣ）で被覆したことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記基板加熱装置を用いて、イオン注入された炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板を真空において加熱する処理方法であり、その処理方法において、真空での加熱処理中に、少なくともシリコン（Ｓｉ）又は水素（Ｈ）の何れか、もしくは、その両方を含むガスが添加されてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、２０００℃以上の超高温下においても、カーボン製ヒータからのガス放出を抑制することで、異常放電の発生をなくし、フィラメントの長期安定性を図ることができる。
【００１７】
さらに、イオン注入された炭化珪素（ＳｉＣ）の活性化アニールにおいて、超高温で短時間処理を長期間に渡り安定して行うことができる。
【００１８】
これにより炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体装置の生産において、イオン注入した不純物の１００％の電気的活性化と完全に結晶欠陥の消失を工業的に実現させることができる。その結果、信頼性の高い半導体装置を高い生産性を持って製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態としての基板加熱装置を示す断面図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施の形態の基板加熱装置１０１は、真空室１０２と、真空加熱容器１０３と、フィラメント電源１０４と、高圧電源１０５と、基板１０６と、基板ステージ１０７と、基板保持台１０８と、を備えている。また、カーボン製の導電性ヒータ１３１と、水冷用流路１０９と、水冷シャッタ１１０と、移動機構１１１と、リフトピン１１２と、を備えている。さらに、２波長式の放射温度計１１５と、波長検出素子ａ１１６と、波長検出素子ｂ１１７と、演算回路１１８と、温度信号１１９と、集光部１１４と、透過窓１１３とを備えている。さらに、フィラメント１３２と、熱反射板１３５と、絶縁碍子１３７と、中間ベース板１３６と、を備えている。
【００２２】
加熱処理室内（真空容器）に導電性ヒータ１３１が真空加熱容器１０３の下部に位置固定的に配置されている。
【００２３】
真空加熱容器１０３の一面を構成する導電性ヒータ１３１に、フィラメント１３２で発生した熱電子を加速し衝突させて発熱させる。
【００２４】
導電性ヒータ１３１と相対向した位置に基板保持台１０８が、上下駆動可能なように移動機構１１１とともに配置されている。
【００２５】
加熱処理室は、不図示のターボモレキュラポンプ（排気量４５０リットル／秒）により１０−５Ｐａ台に排気可能である。
【００２６】
カーボン製ヒータ１３１には、タングステン製、タングステン・レニウム製又は高融点金属製のフィラメント１３２が組み込まれ、フィラメント１３２には熱分解カーボンがコーティングされている。
【００２７】
真空加熱容器の内部のフィラメント１３２は、電流導入端子により、フィラメント加熱用の交流電源及びフィラメントと導電性ヒータ間の電位差を形成し、熱電子を加速するための直流電源に接続されている。電流導入端子は、真空と大気とを隔壁することもできる。
【００２８】
基板保持台１０８の下側には、温度測定手段として、例えば、２波長式の放射温度計１１５が組み込まれている。温度測定手段としては、これ以外に、２波長式のサーモグラフィが使用可能である。基板保持台１０８により支持された基板ステージ１０７の裏面の温度を測定し、基板ステージ１０７の温度が所望の温度になるように、演算回路１１８を通して、フィラメント１３２へ印加する電流値を制御している。
【００２９】
処理される基板を基板ステージ１０７に搬送する際には、基板保持台１０８が下方に移動し、導電性ヒータ１３１と基板保持台１０８との間に熱隔壁板である水冷シャッタ１１０が挿入される。その結果、導電性ヒータ１３１と基板保持台１０８が熱的に遮断される。
【００３０】
真空室１０２とスリットバルブで仕切られ、真空に排気されている不図示の搬送室から、不図示のアームが伸び処理基板を載せ、アームが縮みスリットバルブが閉じられる。
【００３１】
その後、基板保持台１０８が上方へ移動し、処理基板をリフトピン１１２から掬い取る。そして、基板ステージ１０７へ基板１０６を載せ、導電性ヒータ１３２との距離が、例えば、５ｍｍになるように、さらに上方へ移動し停止する。
【００３２】
その後、真空加熱容器１０３の内部のフィラメント１３２に交流電流を０アンペアから所望の値まで１秒間に数アンペアずつ上昇させ、所望の値で、所望時間、保持させてフィラメント１３２を予備加熱する。
【００３３】
その後、熱電子を放出させるため、フィラメント１３２と導電性ヒータ１３１間に直流電源にて、０ボルトから所望の値まで１秒間に所望の値ずつ電圧を上昇させる。
【００３４】
その後、徐々にエミッション電流を放出させ、電圧を所望の値まで上昇させた後、交流電流値を所望量に上昇させると同時に、高圧電源１０５の電圧を所望の値に上昇させる。
【００３５】
基板ステージ１０７の温度を２波長式の放射温度計１１５でモニタしながら、演算回路１１８によりフィラメント電源１０４の交流電流値を制御して、数分で所望の温度まで上昇させ、そのまま、所望の時間、加熱保持する。加熱保持した後、交流電源及び直流電源をオフさせる。
【００３６】
導電性ヒータ１３１は、輻射により急激に温度が下がり、約１分間で基板ステージ１０７の温度が所定の温度になったら、基板ステージ１０７が降下する。カーボン製ヒータ１３１より５０ｍｍ離れ、導電性ヒータ１３１と基板ステージ１０７との間に熱隔壁板である水冷シャッタ１１０が挿入され、急激に基板温度が冷却される。
【００３７】
数分後に基板ステージ１０７の温度が所望の温度以下になったところで、基板保持台１０８がさらに下げられ、処理基板をリフトピン１１２に載せ、スリットバルブが開けられる。
【００３８】
そして、真空室１０２とスリットバルブで仕切られている真空に排気されている不図示の搬送室から不図示のアームが伸び、処理基板をリフトピン１１２から回収し、不図示のロードロック室に搬送される。
【００３９】
処理基板温度が所望の温度以下になったところで、不図示のロードロック室が大気ベントされ、処理基板が取り出される。
【００４０】
このとき、通常、導電性ヒータ１３１は、基板１０６が置かれる真空チャンバを排気するターボ分子ポンプ（不図示）とは、独立な形でＴＭＰにより排気されている。しかし、真空チャンバを排気しているＴＭＰで同時に排気することもできる。
【００４１】
一般的に、基板となる炭化珪素（ＳｉＣ）は、結晶タイプが３Ｃ、４Ｈ、６Ｈと複数存在するため結晶性を揃えたホモエピタキシャル成長を行うために、結晶をＣ軸面に対して４度又は８度オフさせた炭化珪素（ＳｉＣ）基板が用いられる。
【００４２】
図２は、本発明の一実施形態としての基板加熱装置における導電性ヒータ１３１を示す断面図である。
【００４３】
図２に示すように、導電性ヒータ１３１は、フィラメント１３２と、中間ベース板１３６と、絶縁碍子１３７とを備えている。また、フィラメント支柱１４１と、熱受け板１４２と、ベース板１４３と、熱受け板１４４と、反射板１４５と、水冷フレンジ１４６と、支柱１４７とを備えている。
【００４４】
本実施の形態では、フィラメント支柱１４１は、タンタル製である。また、熱受け板１４２と、ベース板１４３と、熱受け板１４４とは、カーボン製である。また、反射板１４５と、中間ベース板１３６と、支柱１４７とは、モリブデン製である。
【００４５】
導電性ヒータ１３１は、直径２００ｍｍ程度で作製されている。
【００４６】
フィラメント支柱１４１は、ベース板１４３に立てられ、フィラメント１３２を固定している。
【００４７】
ベース板１４３は、熱受け板１４２及び熱受け板１４４とに挟まれている。熱受け板１４２及び１４４によって、ベース板１４３の表面と裏面との温度差を抑制している。
【００４８】
さらに、熱受け板１４４と、フィラメントユニット全体を支える中間ベース板１３６との間には、輻射率が低くなるように表面処理された反射板１４５が複数枚配置されている。このようにすることで、加熱効率を向上させている。
【００４９】
中間ベース板１３６には、モリブデン製の支柱によりベース板１４３が位置固定的に固定されている。
【００５０】
フィラメント１３２には、不図示のフィラメント加熱用交流電源とフィラメント１３２と導電性ヒータ１３１との間に電位差を設けるための直流高圧電源が備えられている。
【００５１】
ベース板１４３、熱受け板１４２並びに１４４及び反射板１４５は、熱電子を効率よく反射させ、導電性ヒータ１３１に熱電子を効率よく衝突させるために、フィラメント１３２と同電位になるように構成されている。
【００５２】
図３は、本実施の形態で使用されるフィラメントの一例を示す斜視図である。
【００５３】
本実施の形態では、図３に示すような、シングルループ状のフィラメントを使用しているが、それ以外には、多重コイル状のフィラメントなども使用可能である。
【００５４】
フィラメント１３２は、熱電子を発生させ、その熱電子を加速させるために、真空と隔壁された電流導入端子を通して、交流の加熱電源と直流の高圧・加速電源に並列に接続されている。
【００５５】
フィラメント１３２から発生させられ、加速された熱電子を衝突させ、加熱させるために、フィラメント１３２の外側に熱分解カーボンを被覆処理した導電性ヒータ１３１が載置されている。
【００５６】
導電性ヒータと対向して、加熱処理される炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板が、基板ホルダの上に載置され導電性ヒータと近接して非接触な位置に移動され、真空雰囲気中で加熱処理される。
【００５７】
このとき、通常導電性ヒータは、処理基板が置かれる真空チャンバを排気するターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）とは、独立な形でＴＭＰにより排気されているが、真空チャンバを排気しているＴＭＰで同時に排気することもできる。
【００５８】
基板加熱装置では、導電性ヒータ内部の圧力による異常放電の発生を防止するために、イオンゲージにてヒータ内部の圧力をモニタ、監視しており、１．０×１０−２Ｐａ以上になると自動的に加速電源の電力の供給が停止され、装置を保護している。
【００５９】
図４は、本発明の一実施の形態としての基板加熱装置で使用されるカーボン製の導電性ヒータを示す斜視図である。
【００６０】
導電性ヒータの基材には、タンタルカーバイド（ＴａＣ）の線熱膨張係数（７．１×１０−６／Ｋ）とほぼ等しくなるように等方性黒鉛を採用した。
【００６１】
カーボン製の導電性ヒータは、以下のように作製した。
【００６２】
まず、前記基材を円筒形の形状に旋盤で加工した後、ハロゲンガス雰囲気中で高温処理を行う高純度化処理をする。
【００６３】
その後、タンタル有機ソースを用い、２１００℃以上の高温で熱気相反応（熱ＣＶＤ）にて、タンタルとカーボンの含有比率がほぼ１：１になるように、タンタルカーバイド（ＴａＣ）を被覆処理した。
【００６４】
その際、タンタルカーバイドは、導電性ヒータ１３１の内面及び外面の少なくとも一方を被覆するように処理する。
【００６５】
図４（ａ）は、導電性ヒータの内部を独立した排気系で排気できるように、加熱部とは反対側にシール面を持つ円筒形の真空容器構造である。
図４（ｂ）は、プロセスチャンバ用のポンプで、導電性ヒータ内部を同時に排気可能なように、排気用の窓を設けた構造である。
【００６６】
表1は、本実施の形態の導電性ヒータと従来の導電性ヒータにおいて、未使用時（新品時）と加熱保持時間を５０時間経過して、その後、加熱保持時間１０分後の導電性ヒータ内部の圧力を測定した結果である。
【００６７】
【表１】
0004617364.tif 000002
【００６８】
本実施の形態の導電性ヒータは、従来の導電性ヒータにタンタルカーバイド（ＴａＣ）を被覆処理したものであり、従来の導電性ヒータとは、熱分解カーボンを基材に被覆処理したものである。
【００６９】
表1に示すように、タンタルカーバイド（ＴａＣ）を被覆処理した導電性ヒータの内部圧力は、加熱保持時間５０時間後とも２１００℃に加熱しても１０−４Ｐａ台を示している。異常放電を防止するために電力を遮断させるインターロック圧力１.０×１０−２Ｐａを大幅に下回り、高温加熱が安定して実現できることを示している。
【００７０】
次に、本実施の形態の導電性ヒータを用いて、炭化ケイ素（ＳｉＣ）へのイオン注入を施した基板を活性化するためにアニールした処理方法について説明する。
【００７１】
基板には、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ（０００１）４°オフ角を持った基板に、窒素をドーパントとして注入されているｎ＋型炭化ケイ素（ＳｉＣ）エピ層を１０マイクロメートル化学気相成長法（ＣＶＤ法）にて成長したものを用いた。
【００７２】
まず、ＲＣＡ洗浄、犠牲酸化、フッ酸処理を行う。
【００７３】
その後、イオン注入用の保護酸化膜を１０ｎｍ成膜したサンプルを、基板温度が昇温可能なイオン注入機にて５００℃に加熱する。
【００７４】
そして、アルミニウムを４０ｋｅＶから７００ｋｅＶにて、注入濃度２．０×１０１８／ｃｍ３、深さ０．８μｍになるように、多段でボックスプロファイル状に注入した。
【００７５】
次いで、保護酸化膜をフッ酸処理にて除去した後、本実施の形態の加熱処理装置で、本サンプルを活性化処理し、ＣＶ測定にて測定したキャリア濃度を注入量で除した活性化率の温度・時間依存性を評価した。
【００７６】
同時に、活性化処理後の表面平坦性を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）でタッピングモードにて４μｍ×４μｍの範囲で測定した。
【００７７】
図５は、本実施の形態で使用されるサンプルにおける活性化率と処理温度との関係を示すグラフである。
【００７８】
図５に示すように、従来の導電性ヒータを用いた基板加熱装置では、活性化アニール処理温度が２０００℃のとき、活性化率が１００％になるには１０分間掛かった。
【００７９】
しかし、本実施の形態の導電性ヒータを用いた基板加熱装置による処理方法を行った場合、２０５０℃のときは３分間で、さらに２１００℃のときは１分間で、活性化率が１００％にできることが確認された。
【００８０】
さらに、このときの表面平坦性を示すＲＭＳ値（Ｒｏｏｔ−Ｍｅａｎ−Ｓｑｕａｒｅ  Ｖａｌｕｅ）は、いずれも１．０ｎｍ以下と非常に平坦であることも確認された。
【００８１】
さらに、活性化アニール処理中にシラン（ＳｉＨ４）ガスを０．１ｓｃｃｍ添加したところ、２１００℃処理においてもＲＭＳ値が０．８９ｎｍとなり、さらに表面平坦性の確保が容易になった。
【００８２】
また、従来の導電性ヒータでは、シランガスにより表面がぼろぼろに腐食されたが、本実施の形態の導電性ヒータでは、表面の腐食も観察されず、安定的に使えることが確認された。
【００８３】
本実施の形態の基板加熱装置を用いたアニールの処理方法によれば、２０００℃を越える超高温にて短時間処理をすることが可能となると同時に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）に注入された不純物の電気的活性化を１００％にし、残留結晶欠陥を完全に消失させることが可能となった。
【００８４】
その結果、信頼性の高い炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いた半導体装置を作製することが可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、炭化ケイ素などの基板に形成される素子を活性化させるためなどのアニールに用いられる基板加熱装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の一実施形態としての基板加熱装置を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態としての基板加熱装置におけるカーボン製ヒータ１３１を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態で使用されるフィラメントの一例を示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施の形態としての基板加熱装置で使用されるカーボン製の導電性ヒータを示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施の形態で使用されるサンプルにおける活性化率と処理温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８７】
１０１  基板加熱装置
１０２  真空室
１０３  真空加熱容器
１０４  フィラメント電源
１０５  高圧電源
１０６  基板
１０７  基板ステージ
１０８  基板保持台
１０９  水冷用流路
１１０  水冷シャッタ
１１１  移動機構
１１２  リフトピン
１１３  透過窓
１１４  集光部
１１５  ２波長式の放射温度計
１１６  波長検出素子ａ
１１７  波長検出素子ｂ
１１８  演算回路
１１９  温度信号
１３１  導電性ヒータ
１３２  フィラメント
１３５  熱反射板
１３６  中間ベース板
１３７  絶縁碍子
１４１  フィラメント支柱
１４２  熱受け板
１４３  ベース板
１４４  熱受け板
１４５  反射板
１４６  水冷フレンジ
１４７  支柱
【図１】
0004617364.tif 000003
【図２】
0004617364.tif 000004
【図３】
0004617364.tif 000005
【図４】
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【図５】
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