(57)【要約】【課題】基板と放射温度センサ間の雰囲気を置換ガス等で置換する機能を使用する際に、基板の反りや跳ねが発生することのない基板の熱処理方法を提供する。【解決手段】前記基板裏面と前記放射温度センサとの間の空間に、前記基板の中央部と外周部との温度差が所定値以下になる低流量で一定時間置換ガスを流す処理をする。当該処理に連続して、前記処理での流量より、高い流量での処理を行う。これにより、初期の置換ガスが突流することがなく、支持リングと基板との接触面と基板中央部のランプ加熱からの吸熱効率の変化を低減することができる。そして、基板面内の温度差を１００℃以下にすることが可能となり、基板に反り、跳ねが発生することを防止することができる。【選択図】図２
2007180300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバの上部に設けた加熱用のランプユニットと、前記チャンバの下部に設けた放射温度センサと、前記チャンバ内に設けた基板を載置する支持リングと、前記支持リングを載置するとともに、回転させる回転シリンダと、前記支持リングに載置された基板と上記放射温度センサとの間の空間に置換ガスを流すガス機構を備えた熱処理装置に適用される基板の熱処理方法であって、
前記基板裏面と前記放射温度センサとの間の空間に、前記基板の中央部と外周部との温度差が所定値以下になる流量で一定時間置換ガスを流す処理をする第１ステップと、
前記第１ステップでの流量より、高い流量での置換ガスを流す処理をする第２ステップと、
を含むことを特徴とする基板の熱処理方法。
【請求項２】
前記第１ステップでの流量が、前記基板の中央部と外周部との温度差が当該基板の反りを起こさない所定値以下である請求項１記載の基板の熱処理方法。
【請求項３】
前記第１ステップでの流量が、０．１ＳＬＭから１００ＳＬＭである請求項１記載の基板の熱処理方法。
【請求項４】
前記置換ガスが、不活性ガス、酸化性ガス、窒化性ガスのいずれか１種である請求項１記載の基板の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス製造プロセスでの基板の熱処理方法に関し、特に、ランプ熱処理装置を用いて基板の熱処理を行う場合の熱処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置を構成する素子パターンの微細化に伴い、薄いゲート絶縁膜や浅い不純物拡散領域等を、スループットを低下させることなく、均一に、かつ安定して形成することが必要となっている。このため、半導体装置の製造工程では、短時間の熱処理を枚葉式で行うＲＴＰ（rapid thermal process）熱処理装置が使用されるようになっている。この種の装置として、基板加熱用ランプが放射するエネルギーにより半導体基板の熱処理を行うランプ式ＲＴＰ装置が開発され、一般に普及している（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００３】
図１は、上記ランプ式ＲＴＰ熱処理装置１（以下、熱処理装置１という。）の縦断面図を示すものである。当該熱処理装置１は、基板の熱処理が行われる円筒状のチャンバ３の上部に、石英板４を介して複数のタングステンハロゲンランプが配設されたランプユニット２を備えている。
【０００４】
上記チャンバ３の側壁には、チャンバ３内にプロセスガスを導入するためのガス導入路８が連通され、ガス導入路８と対向する位置の側壁には、チャンバ３内のガスを排出するガス導出路９が連通されている。例えば、基板１０上に酸化膜や窒化膜等の特定の材料膜を形成する熱処理を行う場合には、当該材料膜に応じた材料ガスがガス導入路８から導入され、不純物が注入された基板１０の活性化アニール処理を行う場合には、Ｎ2ガスやＡｒガス等の不活性ガスがガス導入路８から導入される。
【０００５】
また、チャンバ３の内部には、熱処理対象となる基板１０の直径よりもわずかに小さい内径を有するシリコンカーバイド等の耐熱材料からなる支持リング５が水平面内に配置されている。支持リング５は、チャンバ３の下面から鉛直上方に突出する円筒状の回転シリンダ６により支持されており、支持リング５の内縁部に基板１０のエッジ部が載置される。また、回転シリンダ６は、水平面内で回転可能な軸受け（図示せず）を介して、チャンバ３の底面に支持されており、熱処理は基板１０を回転させながら実施される。なお、基板１０は、例えば、チャンバ３の側壁に開閉自在に設けられた、図示しない基板入出口から搬入出される。
【０００６】
また、チャンバ３底面には、回転シリンダ６の内側の領域に、基板１０の半径方向に適当な間隔をおいて配置された光ファイバプローブよりなる複数の放射温度センサ７の一端が露出されており、基板１０の下面から放射される光（輻射熱）を受け、該光ファイバプローブの他端に接続された、図示しないパイロメータ等の温度計測器によって、熱処理中の基板面の温度が基板の中心部から外周部に渡って計測される。この計測結果に基づいて、制御手段１５によって、基板の中心部から外周部に渡って温度が均一になるようにランプ出力が制御されるようになっている。
【０００７】
上記構成において、熱処理時に基板からの外方拡散（Out  Diffuse）が生じる。このとき拡散する物質は基板の膜構造により異なるが、ＳｉＯ昇華物が共通して含まれる。当該拡散物質は放射温度に関わりなく放射温度センサ７の入射部に付着してその部分を曇らせ、この曇りの影響で測定温度に誤差が生じ、製品の歩留まりに反映することになる。
【０００８】
この対策として、基板１０裏面と放射温度センサ７との間の雰囲気を置換するための置換ガスを流すガス導入路１１と当該置換ガスを排気するためのガス排気路１２を備えた構成が提案されている。
【０００９】
すなわち、ガス導入路１１は、チャンバ３底壁の内部を通じて、支持リング５の内周に沿って、中心方向に向けてガスを噴出するガス噴出口１１ａに接続されており、ガス導入口１１ａから基板１０の下側の空間に噴出された置換ガスが、チャンバ３底面の中央部に設けたガス排気路１２から排気されるようになっている。このガス導入路１１、ガス排気路１２は、上記ガス導入路８、上記ガス導出路９とは独立した経路となっている。
【００１０】
図２は、上記熱処理装置を用いた場合の従来の熱処理シーケンスを示す図である。図２において、横軸は時間に対応し、左軸は温度、右軸はランプパワーに対応している。
【００１１】
図２に実線で示すランプパワー２２は、放射温度センサ７の検知可能な温度帯（約２５０℃から６００℃）になるまでの初期の期間（オープンループ制御領域２３）で所定の低いパワーで加熱され、放射温度センサ７の検知可能な温度Ｔ１になると（時刻ｔ３）、上記制御手段１５での温度制御が働く（クローズドループ制御領域２４）ようになっている。すなわち、温度計測器での測定温度２１は同図の破線で示すようにオープンループ制御領域２３では温度の上昇を続けることになるが、クローズドループ制御領域２４になると、所定の設定温度（例えばＴ１）に制御されることになる。
【００１２】
上記のように基板１０の温度が、放射温度センサ７の検知可能な温度帯（Ｔ１：約２５０℃から６００℃）に到達した後は、１段階以上の任意の昇温速度（約１０℃／secから１００℃／sec）で昇温を行い、目的の温度帯（Ｔ２：約３５０℃から１２００℃）で任意の時間（約０秒から１２００秒）保持し基板１０に熱処理を施した後、１段階以上の任意の降温速度（約１０℃／secから１００℃／sec）で基板１０の温度を下げることになる。
【００１３】
図５は上記熱処理中の基板設置前後の各部の温度と置換ガスの流量３１の関係を示すグラフであり、図２の符号２５の部分に該当する。ランプが点灯され上記放射温度センサ７の検知可能な温度以下でチャンバ３内部が加熱された状態で、チャンバ３内に図示しないアームにより基板１０を放射温度センサ７直上に搬送し支持リング５上に設置する（時刻ｔ１）。このとき、基板１０の温度が、放射温度センサ７の検知下限（約２５０℃）以下であるため、温度制御を行うことができず、放射温度センサ７の検知可能な温度帯（約２５０℃から６００℃）となるまで、任意のランプ出力を基板種別ごとに設定し、加熱する必要がある。
【００１４】
上記のように基板１０が支持リング５上に設置されると、これとほぼ同時に基板１０の下側の空間に上記温度センサの曇りを防止するために置換ガスを導入するようになっている。このときの置換ガスの導入は、マスフローメータによりガス流量が制御できず全流量が瞬間的に流れる（突流現象）。この置換ガスの導入によって支持リング５の温度５１が低下して基板外周部の温度５３と基板中央部の温度５２との間に一時的に差ΔＴが発生する。
【００１５】
すなわち、支持リング５は、シリコンカーバイド製であるため、低温領域（５００℃以下）では、ランプ光の吸収効率が基板１０よりも高く、基板１０は支持リング５からの熱伝導により温度変化する機構が支配的であることが知られている。このため、低温領域では、基板中央部のランプ加熱による温度変化の度合いより、支持リング５と接触している基板外周部の温度変化の度合いの方が大きい。この状態で図５に示すように置換ガスの影響で支持リング５の温度５１が低下すると、それにつれて基板外周部の温度５３が低下し、中央部の温度５２との温度差が一時的に生じることになる。この温度差は、時間経過とともに解消することになるが、一時的にしろ、当該温度差が１００℃以上になると、基板１０に反り、跳ねが発生し易くなり、製品の歩留まりに影響することになる。
【特許文献１】特開平７−３２１０３７号公報
【特許文献２】特開２００４-１３４６３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
従来のランプ熱処理装置では、基板からの外方拡散の影響等で、放射温度センサに昇華物等の付着を防ぐため、図１で説明したように基板１０と放射温度センサ７との間の雰囲気を置換ガス等で置換する機能がある。この機能は、５００℃以下の低温処理が要求されるシリサイド形成時に、上記放射温度センサ７の誤差を発生しないために重要である。
【００１７】
しかしながら、上記したように、置換ガスの導入で一時的に基板外周部と中央部の温度差が発生することになり、この温度差が１００℃以上になると、基板１０に反り、跳ねが発生し易くなり、製品の歩留まりに影響することになる。
【００１８】
ところが、置換ガス導入初期においてはマスフローメータによりガス流量が制御できていないため、置換ガス導入と同時にその装置で可能な最大限の流量が瞬間的に流れるようになっているにもかかわらず、放射温度センサ７が温度を検知せずランプ加熱により基板１０表面の温度が制御されない。従って、基板中央部はランプからの加熱が持続する一方で支持リング５と基板１０との接触面領域における基板１０の温度が下がる。これにより、基板中央部と外周部との温度差が大きくなり、基板に反り、反りによる跳ねが発生し易くなる。
【００１９】
基板１０をチャンバ３内部に設置する前から置換ガスをある程度の流量で流しておけば上記のような外周部での温度低下を避けることができるのであるが、基板設置時には、支持リング５（回転シリンダ６）の回転を止める必要がある。また、上記置換ガスの噴出口１１ａは、基板外周に対して一様なリング状開口とできず、必ず局所的に限られた出口形状となるので、回転停止状態で置換ガスが流れ続けていると、部分的に支持リング５が冷却されるため、基板外周部内でさらに温度差が発生してしまう。このため、置換ガスは、基板１０を設置し回転させた後に流すことが必要という制限が加わるのである。
【００２０】
本発明は上記従来の事情に鑑み、基板の反りあるいは跳ねの発生しない状態を維持しながら温度センサの曇りを防止した熱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】
【００２１】
上記従来の課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用している。まず、本発明は、チャンバの上部に設けた加熱用のランプユニットと、前記チャンバの下部に設けた放射温度センサと、前記チャンバ内に設けた基板を載置する支持リングと、前記支持リングを載置するとともに、回転させる回転シリンダと、前記支持リングに載置された基板と上記放射温度センサとの間の空間に置換ガスを流すガス機構を備えた熱処理装置に適用される基板の熱処理方法を前提としている。そして、本発明に係る基板の熱処理方法は、前記基板裏面と前記放射温度センサとの間の空間に、前記基板の中央部と外周部との温度差が所定値以下になる流量で一定時間置換ガスを流す処理をする第１ステップと、当該第１ステップでの流量より、高い流量での置換ガスを流す処理をする第２ステップとを含む構成である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、置換ガスの突流が防止され、支持リングと基板との接触面と基板中央部のランプ加熱からの吸熱効率の変化を低減することができる。これにより、基板面内の温度差を１００℃以下にすることが可能となり、基板に反り、跳ねが発生しなくなる。
【００２３】
このため、基板からの外法拡散の影響等で、放射温度センサに昇華物等が付着することを防ぐため、基板と放射温度センサ間の雰囲気を置換ガス等で置換する機能を放射温度センサの検知下限（約２５０℃以下）でも使用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】
【００２４】
本発明の熱処理方法に用いるランプ加熱熱処理装置の構成は従来と同じく図１に示される通りであるので、その詳しい説明は省略する。
【００２５】
図３は上記熱処置装置１を用いた本発明のシーケンスを示す図であり、置換ガスの導入プロセスを除いて、図２に示される従来のアニールシーケンスの初期の領域２５の部分を拡大したものである。
【００２６】
熱処理装置１が待機状態のとき、ランプパワー３２は所定の弱いアイドリング出力Ｓ１（例えばフルパワーの９％）で加熱している。次いで、基板１０を支持リング５に設置する前（基板１０を搬送中に）にランプパワー３２を予備加熱出力Ｓ２（例えばフルパワーの１３％）に上げ、上記待機状態から予備加熱状態に移行し、チャンバ３内を所定の温度にまで上昇する。この状態（時刻ｔ１）で基板１０を支持リング５上に設置するとともに、置換ガスの導入が開始される。
【００２７】
しかしながら、本発明では従来のように急激に置換ガスを導入（破線３４）するのではなく、その流量３１は少量であって、基板１０面内の温度差が１００℃以下となる一定流量Ｖ０で所定の時間（ｔ１−ｔ２）流される。その後、流量３１は、基板１０の熱処理温度で基板１０の表面から蒸発する昇華物等が放射温度センサ７の表面にほとんど付着しないよう、基板１０裏面と放射温度センサ７間の空間から取り除くのに十分な流量に増大される。
【００２８】
図４は、上記図３のシーケンス実施時に対応するチャンバ３内の各部の温度推移を置換ガスの流量３１と合わせて示したものである。ランプパワー３２が基板設置時（時刻ｔ１）の直前まで待機状態であり、その後基板設置時（時刻ｔ１）の直前で予備加熱されるため、ため基板支持リング５の温度４１は基板設置時（時刻ｔ１）まで所定の温度Ｔ１０が保たれるようになっている。基板設置と同時（時刻ｔ１）に置換ガスが導入されるが、このとき、支持リング５の温度４１は低温の基板１０との接触と、低温の置換ガス吐出とで温度が下がろうとするが、置換ガスの導入量が少ない（流量Ｖ０）ため、その降下の度合いは、従来に比べて小さくなる。
【００２９】
一方、上記支持リング５上に載置されている基板１０の外周部の温度４３は、置換ガスの導入によって、上記支持リング５の温度変化の影響は受けるものの、その導入量が少ないため大きく影響を受けることない。その温度変化は上記導入される置換ガスの量や温度に依存して、わずかに上昇あるいは下降する（図４では上昇の場合を示している）。一方で、基板中心部の温度４２はランプ加熱によって直線的に上昇するが、基板１０の外周部の温度４３との差が１００℃を超えないように置換ガスの導入量が設定されている。このようなガス流量は、半導体製造装置に取りつけられる各種マスフローメータが制御可能な最小単位のガス流量から、ガスにより基板１０が浮き上がらない程度のガス流量までの範囲であればよい。例えば、０．１ＳＬＭ（Standard Liter per Minute：０℃、１atmでの流量）から１００ＳＬＭである。
【００３０】
このとき、基板１０の温度は、まだ、放射温度センサ７で検知できる温度（約２５０℃以上）に到達していない。
【００３１】
上記置換ガスの少量（Ｖ０）の導入は所定の短い時間ｔ１−ｔ２の間継続され、その後、昇華物等を取り除くのに十分な流量Ｖ１に増大される。しかしながら、ランプユニット２による加熱が進行し、外周部の温度４３が高くなっていることもあって温度差が１００℃以内にとどまり、時刻ｔ３（図２参照）でランプユニット２による温度制御が始まり、基板外周部と中央部の温度差はなくなる。
【００３２】
ガス流量を増加させる時刻ｔ２は基板１０の温度が放射温度センサ７で検知できる温度以上になってから（上記時刻ｔ３）行うのが望ましい。この状態では大量に置換ガスを流しても基板１０の温度制御が可能だからであり、また、支持リング５の温度もランプ加熱により低下前の温度に回復するためである。
【００３３】
このようにして基板支持リング５と基板外周部への置換ガスの突流が発生せず、基板支持リングの急激な温度低下が抑えられ、結果、基板支持リングと接触している、基板外周部と基板中央部の温度差が１００℃以下に抑えることができる。上記、基板設定時ｔ１から、基板１０の面内の温度差が１００℃以下となるよう、任意の時間、置換ガス流量を変化させる設定は、基板材料種別、基板上の成膜構造ごとに設定することが望ましい。
【００３４】
なお、置換ガスとしては、不活性ガス、酸化性ガス、窒化性ガス等の任意のガスを使用することができる。
【００３５】
本発明による熱処理方法は、特に４００℃〜６００℃での熱処理が必要な微細パターン半導体集積回路の金属シリサイド（コバルトシリサイド、ニッケルシリサイド、チタンシリサイド等）形成工程で効果がある。この場合は熱処理自体が低温で行われるから、基板温度分布への置換ガスの悪影響を防ぐために、置換ガスを放射温度センサの検知領域以下の温度から流しておく必要が特にあるからである。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、低温時から、温度センサの計測誤差を抑制することができ、熱処理方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明を実施する熱処理装置の概略断面図
【図２】熱処理装置において実行される一般的な加熱シーケンスを示す模式図
【図３】基板設置時のランプパワーと置換ガス流量のシーケンスを示す模式図
【図４】本発明のチャンバ内の温度推移を示す模式図
【図５】従来のチャンバ内の温度推移を示す模式図
【符号の説明】
【００３８】
１  熱処理装置
２  ランプユニット
３  チャンバ
４  石英板
５  支持リング
６  回転シリンダ
７  放射温度センサ
８  ガス導入路
９  ガス導出路
１０  基板
１１  置換ガス導入路
１２  置換ガス排気路
【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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