熱処理方法および熱処理装置
【課題】基板にダメージを与えることなく、注入されたイオンの活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる熱処理方法および熱処理装置を提供する。
【解決手段】光照射の総時間が１秒以下の光照射加熱において、ピークが発光出力ＬＰとなる出力波形にて半導体ウェハーに光照射を行う第１段階と、そのピークが過ぎた後に発光出力ＬＰよりも小さな発光出力にて半導体ウェハーＷに追加の光照射を行う第２段階と、によって構成される２段階照射を行う。第２段階の発光出力はピーク時の発光出力ＬＰの３分の２以下である。第１段階の光照射時間は０．１ミリセカンド以上１０ミリセカンド以下であり、第２段階の光照射時間は５ミリセカンド以上である。半導体ウェハーの表面温度を概ね一定の処理温度Ｔ２に維持しつつも、表面よりやや深い位置をもある程度昇温することができる。
【解決手段】光照射の総時間が１秒以下の光照射加熱において、ピークが発光出力ＬＰとなる出力波形にて半導体ウェハーに光照射を行う第１段階と、そのピークが過ぎた後に発光出力ＬＰよりも小さな発光出力にて半導体ウェハーＷに追加の光照射を行う第２段階と、によって構成される２段階照射を行う。第２段階の発光出力はピーク時の発光出力ＬＰの３分の２以下である。第１段階の光照射時間は０．１ミリセカンド以上１０ミリセカンド以下であり、第２段階の光照射時間は５ミリセカンド以上である。半導体ウェハーの表面温度を概ね一定の処理温度Ｔ２に維持しつつも、表面よりやや深い位置をもある程度昇温することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等（以下、単に「基板」と称する）に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法および熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、イオン注入後の半導体ウェハーのイオン活性化工程においては、ハロゲンランプを使用したランプアニール装置が一般的に使用されていた。このようなランプアニール装置においては、半導体ウェハーを、例えば、１０００℃ないし１１００℃程度の温度に加熱（アニール）することにより、半導体ウェハーのイオン活性化を実行している。そして、このような熱処理装置においては、ハロゲンランプより照射される光のエネルギーを利用することにより、毎秒数百度程度の速度で基板を昇温する構成となっている。
【０００３】
一方、近年、半導体デバイスの高集積化が進展し、ゲート長が短くなるにつれて接合深さも浅くすることが望まれている。しかしながら、毎秒数百度程度の速度で半導体ウェハーを昇温する上記ランプアニール装置を使用して半導体ウェハーのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウェハーに打ち込まれたボロンやリン等のイオンが熱によって深く拡散するという現象が生ずることが判明した。このような現象が発生した場合においては、接合深さが要求よりも深くなり過ぎ、良好なデバイス形成に支障が生じることが懸念される。
【０００４】
このため、キセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する）を使用して半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射することにより、イオンが注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリセカンド以下）に昇温させる技術が提案されている（例えば、特許文献１，２）。キセノンフラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、キセノンフラッシュランプから半導体ウェハーにフラッシュ光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリセカンド以下の極めて短時間のフラッシュ光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。このため、キセノンフラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、イオンを深く拡散させることなく、イオン活性化のみを実行することができるのである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−５５８２１号公報
【特許文献２】特開２００４−８８０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、フラッシュ加熱を行う前工程でのイオン注入時に高エネルギーのイオンを打ち込んだ結果、半導体ウェハーのシリコン結晶には多数の欠陥が導入される。このような欠陥は、イオン注入層よりもやや深い位置に導入される傾向がある。フラッシュ加熱を行う際には、イオン活性化のみらず、導入された欠陥の回復をも併せて行うことが望ましい。
【０００７】
しかしながら、フラッシュランプの発光時間が１ミリセカンド程度の極短時間照射の場合、半導体ウェハーの表面の温度上昇速度の方がシリコンの熱伝導によって熱がウェハー内部に伝わるよりも早いため、イオン注入層の昇温は可能であるものの、欠陥が導入されている深さ位置までの昇温は困難であった。もっとも、フラッシュランプから極めて高いエネルギーの光を照射すれば、１ミリセカンド程度の極短時間照射であっても欠陥が導入されている深さ位置まで昇温することができ、欠陥の回復を行うことはできるものの、表面温度が著しく上昇して半導体ウェハーにダメージを与えるという問題が生じる。
【０００８】
また、フラッシュランプに電力供給を行う電源回路のコイル定数を調整することによってフラッシュランプの発光時間を数ミリセカンド程度に伸ばすことができる。発光時間を数ミリセカンド程度とすれば、半導体ウェハーの表面のみならず内部をもある程度昇温することができ、イオン注入時に導入された欠陥の回復には有効であると考えられる。ところが、フラッシュランプの発光時間を数ミリセカンド程度と長くすると、半導体ウェハーの表面が昇温し続けて新たな結晶欠陥が発生するおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板にダメージを与えることなく、注入されたイオンの活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる熱処理方法および熱処理装置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】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法において、ピークが第１の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行う第１光照射工程と、前記ピークを過ぎた後に前記第１の発光出力よりも小さな発光出力にて基板に追加の光照射を行う第２光照射工程と、を備え、前記第１光照射工程での光照射時間と前記第２光照射工程での光照射時間との合計が１秒以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理方法において、前記ピークを過ぎた後に前記第１光照射工程での発光出力が前記第１の発光出力の３分の２以下となったときに前記第２光照射工程による追加の光照射を開始することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る熱処理方法において、前記第１光照射工程での光照射時間は０．１ミリセカンド以上１０ミリセカンド以下であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る熱処理方法において、前記第２光照射工程での光照射時間は５ミリセカンド以上であることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５の発明は、基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置において、基板を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された基板に光を照射する光照射手段と、前記光照射手段の発光出力を制御する発光制御手段と、を備え、前記発光制御手段は、光照射の総時間が１秒以下となる範囲内にて、ピークが第１の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行いつつ、前記ピークを過ぎた後に前記第１の発光出力よりも小さな発光出力にて基板に追加の光照射を行うように前記光照射手段の発光出力を制御することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６の発明は、請求項５の発明に係る熱処理装置において、前記発光制御手段は、前記ピークを過ぎた後に発光出力が前記第１の発光出力の３分の２以下となったときに前記追加の光照射を開始するように前記光照射手段の発光出力を制御することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７の発明は、請求項５または請求項６の発明に係る熱処理装置において、前記追加の光照射を開始するまでの光照射時間は０．１ミリセカンド以上１０ミリセカンド以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る熱処理装置において、前記追加の光照射を行う時間は５ミリセカンド以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１から請求項４の発明によれば、ピークが第１の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行う第１光照射工程と、そのピークを過ぎた後に第１の発光出力よりも小さな発光出力にて基板に追加の光照射を行う第２光照射工程と、を備え、第１光照射工程での光照射時間と第２光照射工程での光照射時間との合計が１秒以下であるため、第１光照射工程にて昇温された基板の表面温度が第２光照射工程にても概ねそのまま維持されることとなり、基板表面を過度に加熱することなく欠陥導入位置まである程度昇温することができ、基板にダメージを与えることなく、注入されたイオンの活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。
【００１９】
特に、請求項２の発明によれば、ピークを過ぎた後に第１光照射工程での発光出力が第１の発光出力の３分の２以下となったときに第２光照射工程による追加の光照射を開始するため、基板の表面温度が第１光照射工程で昇温された温度を著しく超えることはなく、基板にダメージを与えることを確実に防止することができる。
【００２０】
請求項５から請求項８の発明によれば、光照射の総時間が１秒以下となる範囲内にて、ピークが第１の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行いつつ、そのピークを過ぎた後に第１の発光出力よりも小さな発光出力にて基板に追加の光照射を行うため、基板表面を過度に加熱することなく欠陥導入位置まである程度昇温することができ、最初の昇温された基板の表面温度がその後も概ねそのまま維持されることとなり、基板にダメージを与えることなく、注入されたイオンの活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。
【００２１】
特に、請求項６の発明によれば、ピークを過ぎた後に発光出力が第１の発光出力の３分の２以下となったときに追加の光照射を開始するため、基板の表面温度が最初に昇温された温度を著しく超えることはなく、基板にダメージを与えることを確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
まず、本発明に係る熱処理装置の全体構成について概説する。図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す側断面図である。熱処理装置１は基板として略円形の半導体ウェハーＷに光を照射してその半導体ウェハーＷを加熱するランプアニール装置である。
【００２４】
熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容する略円筒形状のチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するランプハウス５と、を備える。また、熱処理装置１は、チャンバー６およびランプハウス５に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。
【００２５】
チャンバー６は、ランプハウス５の下方に設けられており、略円筒状の内壁を有するチャンバー側部６３、および、チャンバー側部６３の下部を覆うチャンバー底部６２によって構成される。また、チャンバー側部６３およびチャンバー底部６２によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。熱処理空間６５の上方は上部開口６０とされており、上部開口６０にはチャンバー窓６１が装着されて閉塞されている。
【００２６】
チャンバー６の天井部を構成するチャンバー窓６１は、石英により形成された円板形状部材であり、ランプハウス５から出射された光を熱処理空間６５に透過する石英窓として機能する。チャンバー６の本体を構成するチャンバー底部６２およびチャンバー側部６３は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されており、チャンバー側部６３の内側面の上部のリング６３１は、光照射による劣化に対してステンレススチールより優れた耐久性を有するアルミニウム（Ａｌ）合金等で形成されている。
【００２７】
チャンバー底部６２には、保持部７を貫通して半導体ウェハーＷをその下面（ランプハウス５からの光が照射される側とは反対側の面）から支持するための複数（本実施の形態では３本）の支持ピン７０が立設されている。支持ピン７０は、例えば石英により形成されており、チャンバー６の外部から固定されているため、容易に取り替えることができる。
【００２８】
チャンバー側部６３は、半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部６６を有し、搬送開口部６６は、軸６６２を中心に回動するゲートバルブ１８５により開閉可能とされる。チャンバー側部６３における搬送開口部６６とは反対側の部位には熱処理空間６５に処理ガス（例えば、窒素（Ｎ2）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス、あるいは、酸素（０2）ガス等）を導入する導入路８１が形成され、その一端は弁８２を介して図示省略の給気機構に接続され、他端はチャンバー側部６３の内部に形成されるガス導入バッファ８３に接続される。また、搬送開口部６６には熱処理空間６５内の気体を排出する排出路８６が形成され、弁８７を介して図示省略の排気機構に接続される。
【００２９】
図２は、チャンバー６をガス導入バッファ８３の位置にて水平面で切断した断面図である。図２に示すように、ガス導入バッファ８３は、図１に示す搬送開口部６６の反対側においてチャンバー側部６３の内周の約１／３に亘って形成されており、導入路８１を介してガス導入バッファ８３に導かれた処理ガスは、複数のガス供給孔８４から熱処理空間６５内へと供給される。
【００３０】
また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部において半導体ウェハーＷを水平姿勢にて保持しつつ光照射前にその保持する半導体ウェハーＷの予備加熱を行う略円板状の保持部７と、保持部７をチャンバー６の底面であるチャンバー底部６２に対して昇降させる保持部昇降機構４と、を備える。図１に示す保持部昇降機構４は、略円筒状のシャフト４１、移動板４２、ガイド部材４３（本実施の形態ではシャフト４１の周りに３本配置される）、固定板４４、ボールネジ４５、ナット４６およびモータ４０を有する。チャンバー６の下部であるチャンバー底部６２には保持部７よりも小さい直径を有する略円形の下部開口６４が形成されており、ステンレススチール製のシャフト４１は、下部開口６４を挿通して、保持部７（厳密には保持部７のホットプレート７１）の下面に接続されて保持部７を支持する。
【００３１】
移動板４２にはボールネジ４５と螺合するナット４６が固定されている。また、移動板４２は、チャンバー底部６２に固定されて下方へと伸びるガイド部材４３により摺動自在に案内されて上下方向に移動可能とされる。また、移動板４２は、シャフト４１を介して保持部７に連結される。
【００３２】
モータ４０は、ガイド部材４３の下端部に取り付けられる固定板４４に設置され、タイミングベルト４０１を介してボールネジ４５に接続される。保持部昇降機構４により保持部７が昇降する際には、駆動部であるモータ４０が制御部３の制御によりボールネジ４５を回転し、ナット４６が固定された移動板４２がガイド部材４３に沿って鉛直方向に移動する。この結果、移動板４２に固定されたシャフト４１が鉛直方向に沿って移動し、シャフト４１に接続された保持部７が図１に示す半導体ウェハーＷの受渡位置と図５に示す半導体ウェハーＷの処理位置との間で滑らかに昇降する。
【００３３】
移動板４２の上面には略半円筒状（円筒を長手方向に沿って半分に切断した形状）のメカストッパ４５１がボールネジ４５に沿うように立設されており、仮に何らかの異常により移動板４２が所定の上昇限界を超えて上昇しようとしても、メカストッパ４５１の上端がボールネジ４５の端部に設けられた端板４５２に突き当たることによって移動板４２の異常上昇が防止される。これにより、保持部７がチャンバー窓６１の下方の所定位置以上に上昇することはなく、保持部７とチャンバー窓６１との衝突が防止される。
【００３４】
また、保持部昇降機構４は、チャンバー６の内部のメンテナンスを行う際に保持部７を手動にて昇降させる手動昇降部４９を有する。手動昇降部４９はハンドル４９１および回転軸４９２を有し、ハンドル４９１を介して回転軸４９２を回転することより、タイミングベルト４９５を介して回転軸４９２に接続されるボールネジ４５を回転して保持部７の昇降を行うことができる。
【００３５】
チャンバー底部６２の下側には、シャフト４１の周囲を囲み下方へと伸びる伸縮自在のベローズ４７が設けられ、その上端はチャンバー底部６２の下面に接続される。一方、ベローズ４７の下端はベローズ下端板４７１に取り付けられている。べローズ下端板４７１は、鍔状部材４１１によってシャフト４１にネジ止めされて取り付けられている。保持部昇降機構４により保持部７がチャンバー底部６２に対して上昇する際にはベローズ４７が収縮され、下降する際にはべローズ４７が伸張される。そして、保持部７が昇降する際にも、ベローズ４７が伸縮することによって熱処理空間６５内の気密状態が維持される。
【００３６】
図３は、保持部７の構成を示す断面図である。保持部７は、半導体ウェハーＷを予備加熱（いわゆるアシスト加熱）するホットプレート（加熱プレート）７１、および、ホットプレート７１の上面（保持部７が半導体ウェハーＷを保持する側の面）に設置されるサセプタ７２を有する。保持部７の下面には、既述のように保持部７を昇降するシャフト４１が接続される。サセプタ７２は石英（あるいは、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）等であってもよい）により形成され、その上面には半導体ウェハーＷの位置ずれを防止するピン７５が設けられる。サセプタ７２は、その下面をホットプレート７１の上面に面接触させてホットプレート７１上に設置される。これにより、サセプタ７２は、ホットプレート７１からの熱エネルギーを拡散してサセプタ７２上面に載置された半導体ウェハーＷに伝達するとともに、メンテナンス時にはホットプレート７１から取り外して洗浄可能とされる。
【００３７】
ホットプレート７１は、ステンレススチール製の上部プレート７３および下部プレート７４にて構成される。上部プレート７３と下部プレート７４との間には、ホットプレート７１を加熱するニクロム線等の抵抗加熱線７６が配設され、導電性のニッケル（Ｎｉ）ロウが充填されて封止されている。また、上部プレート７３および下部プレート７４の端部はロウ付けにより接着されている。
【００３８】
図４は、ホットプレート７１を示す平面図である。図４に示すように、ホットプレート７１は、保持される半導体ウェハーＷと対向する領域の中央部に同心円状に配置される円板状のゾーン７１１および円環状のゾーン７１２、並びに、ゾーン７１２の周囲の略円環状の領域を周方向に４等分割した４つのゾーン７１３〜７１６を備え、各ゾーン間には若干の間隙が形成されている。また、ホットプレート７１には、支持ピン７０が挿通される３つの貫通孔７７が、ゾーン７１１とゾーン７１２との隙間の周上に１２０°毎に設けられる。
【００３９】
６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、相互に独立した抵抗加熱線７６が周回するように配設されてヒータが個別に形成されており、各ゾーンに内蔵されたヒータにより各ゾーンが個別に加熱される。保持部７に保持された半導体ウェハーＷは、６つのゾーン７１１〜７１６に内蔵されたヒータにより加熱される。また、ゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、熱電対を用いて各ゾーンの温度を計測するセンサ７１０が設けられている。各センサ７１０は略円筒状のシャフト４１の内部を通り制御部３に接続される。
【００４０】
ホットプレート７１が加熱される際には、センサ７１０により計測される６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が予め設定された所定の温度になるように、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が制御部３により制御される。制御部３による各ゾーンの温度制御はＰＩＤ(Proportional,Integral,Derivative)制御により行われる。ホットプレート７１では、半導体ウェハーＷの熱処理（複数の半導体ウェハーＷを連続的に処理する場合は、全ての半導体ウェハーＷの熱処理）が終了するまでゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が継続的に計測され、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が個別に制御されて、すなわち、各ゾーンに内蔵されたヒータの温度が個別に制御されて各ゾーンの温度が設定温度に維持される。なお、各ゾーンの設定温度は、基準となる温度から個別に設定されたオフセット値だけ変更することが可能とされる。
【００４１】
６つのゾーン７１１〜７１６にそれぞれ配設される抵抗加熱線７６は、シャフト４１の内部を通る電力線を介して電力供給源（図示省略）に接続されている。電力供給源から各ゾーンに至る経路途中において、電力供給源からの電力線は、マグネシア（マグネシウム酸化物）等の絶縁体を充填したステンレスチューブの内部に互いに電気的に絶縁状態となるように配置される。なお、シャフト４１の内部は大気開放されている。
【００４２】
次に、ランプハウス５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、を備えて構成される。また、ランプハウス５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。ランプハウス５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状部材である。ランプハウス５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３がチャンバー窓６１と相対向することとなる。ランプハウス５は、チャンバー６内にて保持部７に保持される半導体ウェハーＷにランプ光放射窓５３およびチャンバー窓６１を介してフラッシュランプＦＬから光を照射することにより半導体ウェハーＷを加熱する。
【００４３】
複数のフラッシュランプＦＬは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。
【００４４】
図６は、フラッシュランプＦＬの駆動回路を示す図である。同図に示すように、コンデンサ９３と、コイル９４と、フラッシュランプＦＬと、スイッチング素子９６とが直列に接続されている。フラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部に陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）９２と、該ガラス管９２の外周面上に付設されたトリガー電極９１とを備える。コンデンサ９３には、電源ユニット９５によって所定の電圧が印加され、その印加電圧に応じた電荷が充電される。また、トリガー電極９１にはトリガー回路９７から電圧を印加することができる。トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングは制御部３によって制御される。
【００４５】
本実施の形態では、スイッチング素子９６として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ；Insulated gate bipolar transistor）を用いている。ＩＧＢＴは、ゲート部にＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）を組み込んだバイポーラトランジスタであり、大電力を取り扱うのに適したスイッチング素子である。スイッチング素子９６のゲートには制御部３のパルス発生器３１からパルス信号が印加される。
【００４６】
コンデンサ９３が充電された状態でスイッチング素子９６のゲートにパルスが出力されてガラス管９２の両端電極に高電圧が印加されたとしても、キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加して絶縁を破壊した場合にはガラス管９２内の両端電極間で電流が瞬時に流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。
【００４７】
また、図１のリフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射された光を保持部７の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されて梨地模様を呈する。このような粗面化加工を施しているのは、リフレクタ５２の表面が完全な鏡面であると、複数のフラッシュランプＦＬからの反射光の強度に規則パターンが生じて半導体ウェハーＷの表面温度分布の均一性が低下するためである。
【００４８】
制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えて構成される。また、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備えるとともに、入力部３３に接続されている。入力部３３としては、キーボード、マウス、タッチパネル等の種々の公知の入力機器を採用することができる。入力部３３からの入力内容に基づいて波形設定部３２がパルス信号の波形を設定し、その波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を発生する。
【００４９】
上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にフラッシュランプＦＬおよびホットプレート７１から発生する熱エネルギーによるチャンバー６およびランプハウス５の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６のチャンバー側部６３およびチャンバー底部６２には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ランプハウス５は、内部に気体流を形成して排熱するための気体供給管５５および排気管５６が設けられて空冷構造とされている（図１，５参照）。また、チャンバー窓６１とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、ランプハウス５およびチャンバー窓６１を冷却する。
【００５０】
次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入法により不純物（イオン）が添加された半導体基板であり、添加された不純物の活性化およびイオン注入時に導入された欠陥の回復が熱処理装置１による光照射加熱処理（アニール）により実行される。
【００５１】
まず、保持部７が図５に示す処理位置から図１に示す受渡位置に下降する。「処理位置」とは、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷに光照射が行われるときの保持部７の位置であり、図５に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。また、「受渡位置」とは、チャンバー６に半導体ウェハーＷの搬出入が行われるときの保持部７の位置であり、図１に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。熱処理装置１における保持部７の基準位置は処理位置であり、処理前にあっては保持部７は処理位置に位置しており、これが処理開始に際して受渡位置に下降するのである。図１に示すように、保持部７が受渡位置にまで下降するとチャンバー底部６２に近接し、支持ピン７０の先端が保持部７を貫通して保持部７の上方に突出する。
【００５２】
次に、保持部７が受渡位置に下降したときに、弁８２および弁８７が開かれてチャンバー６の熱処理空間６５内に常温の窒素ガスが導入される。続いて、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介して半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入され、複数の支持ピン７０上に載置される。
【００５３】
半導体ウェハーＷの搬入時におけるチャンバー６への窒素ガスのパージ量は約４０リットル／分とされ、供給された窒素ガスはチャンバー６内においてガス導入バッファ８３から図２中に示す矢印ＡＲ４の方向へと流れ、図１に示す排出路８６および弁８７を介してユーティリティ排気により排気される。また、チャンバー６に供給された窒素ガスの一部は、べローズ４７の内側に設けられる排出口（図示省略）からも排出される。なお、以下で説明する各ステップにおいて、チャンバー６には常に窒素ガスが供給および排気され続けており、窒素ガスの供給量は半導体ウェハーＷの処理工程に合わせて様々に変更される。
【００５４】
半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されると、ゲートバルブ１８５により搬送開口部６６が閉鎖される。そして、保持部昇降機構４により保持部７が受渡位置からチャンバー窓６１に近接した処理位置にまで上昇する。保持部７が受渡位置から上昇する過程において、半導体ウェハーＷは支持ピン７０から保持部７のサセプタ７２へと渡され、サセプタ７２の上面に載置・保持される。保持部７が処理位置にまで上昇するとサセプタ７２に保持された半導体ウェハーＷも処理位置に保持されることとなる。
【００５５】
ホットプレート７１の６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれは、各ゾーンの内部（上部プレート７３と下部プレート７４との間）に個別に内蔵されたヒータ（抵抗加熱線７６）により所定の温度まで加熱されている。保持部７が処理位置まで上昇して半導体ウェハーＷが保持部７と接触することにより、その半導体ウェハーＷはホットプレート７１に内蔵されたヒータによって予備加熱されて温度が次第に上昇する。
【００５６】
図７は、予備加熱が開始されてからの半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。処理位置にて時間ｔ１の予備加熱が行われ、半導体ウェハーＷの温度が予め設定された予備加熱温度Ｔ１まで上昇する。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷに添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、２００℃ないし８００℃程度、好ましくは３５０℃ないし６００℃程度とされる（本実施の形態では６００℃）。また、半導体ウェハーＷの予備加熱を行う時間ｔ１は、約３秒〜２００秒とされる（本実施の形態では６０秒）。なお、保持部７とチャンバー窓６１との間の距離は、保持部昇降機構４のモータ４０の回転量を制御することにより任意に調整することが可能とされている。
【００５７】
時間ｔ１の予備加熱時間が経過した後、時刻ＡにてフラッシュランプＦＬによる半導体ウェハーＷの光照射加熱（フラッシュ加熱）が開始される。フラッシュランプＦＬからの光照射を行うに際しては、予め電源ユニット９５によってコンデンサ９３に電荷を蓄積しておく。そして、コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にて、制御部３のパルス発生器３１からスイッチング素子９６にパルス信号を出力する。
【００５８】
図８は、パルス信号の波形と回路に流れる電流との相関の一例を示す図である。ここでは、図８（ａ）に示すような波形のパルス信号がパルス発生器３１から出力される。パルス信号の波形は、入力部３３からパルスの立ち上がっている時間（ＯＮ時間）とパルス間のスペース時間（ＯＦＦ時間）とを順次設定したレシピを入力することによって規定することができる。このようなレシピをオペレータが入力部３３から制御部３に入力すると、制御部３の波形設定部３２は図８（ａ）に示すようなパルス波形を設定する。図８（ａ）に示すパルス波形においては、最初に比較的長いパルスが設定されるとともに、その後に比較的短い複数のパルスが設定されている。そして、波形設定部３２によって設定されたパルス波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を出力する。その結果、スイッチング素子９６のゲートには図８（ａ）のような波形のパルス信号が印加され、スイッチング素子９６の駆動が制御されることとなる。
【００５９】
また、パルス発生器３１から出力するパルス信号がＯＮになるタイミングと同期して制御部３がトリガー回路９７を制御してトリガー電極９１に電圧を印加する。これにより、スイッチング素子９６のゲートに入力されるパルス信号がＯＮのときにはガラス管９２内の両端電極間で必ず電流が流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。制御部３からスイッチング素子９６のゲートに図８（ａ）の波形のパルス信号を出力するとともに、該パルス信号がＯＮになるタイミングと同期してトリガー電極９１に電圧を印加することにより、フラッシュランプＦＬを含む回路中に図８（ｂ）に示すような電流が流れる。すなわち、スイッチング素子９６のゲートに入力されるパルス信号がＯＮのときに、フラッシュランプＦＬのガラス管９２内に流れる電流値が増加する。なお、各パルスに対応する個々の電流波形はコイル９４の定数によって規定される。
【００６０】
図８（ｂ）に示すような波形の電流が流れてフラッシュランプＦＬが発光する。フラッシュランプＦＬの発光出力は、フラッシュランプＦＬに流れる電流にほぼ比例する。従って、フラッシュランプＦＬの発光出力の出力波形は図９（ａ）に示すようなパターンとなる。図９（ａ）に示す如きフラッシュランプＦＬからの出力波形にて、処理位置の保持部７に保持された半導体ウェハーＷに光照射が行われる。その結果、半導体ウェハーＷの表面温度は図９（ｂ）に示すように変化する。
【００６１】
従来のように、スイッチング素子９６を使用することなくフラッシュランプＦＬを発光させた場合には、コンデンサ９３に蓄積されていた電荷が１回の発光で消費され、フラッシュランプＦＬからの出力波形は幅が０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンド程度のシングルパルスとなる。これに対して、本実施の形態のように、回路中にスイッチング素子９６を接続してそのゲートに図８（ａ）のようなパルス信号を出力することにより、いわばフラッシュランプＦＬの発光がチョッパ制御されることとなり、コンデンサ９３に蓄積された電荷が分割して消費され、極めて短い時間の間にフラッシュランプＦＬが点滅を繰り返す。なお、図８に示すように、電流値が完全に”０”となる前に次のパルスがスイッチング素子９６のゲートに印加されて電流値が再度増加するため、フラッシュランプＦＬが点滅を繰り返している間も発光出力が完全に”０”になるものではない。
【００６２】
図９（ａ）に示す如き出力波形は、２段階の光照射を行っているものとみなすことができる。すなわち、ピークが発光出力ＬＰとなる出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第１段階と、そのピークが過ぎた後に発光出力ＬＰよりも小さな発光出力にて半導体ウェハーＷに追加の光照射を行う第２段階と、によって構成される２段照射を行っている。
【００６３】
より詳細に述べれば、最初にスイッチング素子９６のゲートに比較的長いパルス信号を印加することによって、ピークが発光出力ＬＰとなる出力波形を形成する。そして、ピークを過ぎた後の第１段階でのフラッシュランプＦＬの発光出力がピーク時の発光出力ＬＰの３分の２以下となった時点でスイッチング素子９６のゲートに比較的短いパルス信号を断続的に印加して第２段階の追加の光照射を開始する。第１段階の光照射時間（フラッシュランプＦＬが第１段階の光照射を開始してから第２段階の光照射を開始するまでの時間）は０．１ミリセカンド以上１０ミリセカンド以下である。また、第２段階の追加の光照射は、常に発光出力ＬＰの３分の２以下の発光出力によって行う。第２段階の光照射時間は５ミリセカンド以上である。但し、１回のフラッシュ加熱におけるフラッシュランプＦＬの光照射の総時間、つまり第１段階での光照射時間と第２段階での光照射時間との合計は１秒以下である。
【００６４】
第１段階のピークを有する光照射を行うことによって、半導体ウェハーＷの表面温度は予備加熱温度Ｔ１から処理温度Ｔ２にまで昇温される。処理温度Ｔ２は、半導体ウェハーＷに注入された不純物の活性化が生じる１０００℃ないし１３００℃程度とされる（本実施の形態では約１０００℃）。そして、本実施形態においては、第１段階の光照射に続いて第２段階の追加の光照射を行うことにより、半導体ウェハーＷの表面温度を５ミリセカンド以上にわたって処理温度Ｔ２に維持している。このような加熱を行うと、イオン注入層よりもやや深い、欠陥が導入されている深さ位置までもある程度昇温されることとなり、その結果欠陥の回復も進行することとなる。しかも、図９（ｂ）に示すように、半導体ウェハーＷの表面温度が処理温度Ｔ２を超えて著しく昇温することはないため、半導体ウェハーＷに熱的なダメージを与えることも防止される。
【００６５】
第２段階の追加の光照射も終了すると、半導体ウェハーＷの表面温度は処理温度Ｔ２から急速に降温する。そして、フラッシュランプＦＬによる２段階の光照射加熱が終了し、処理位置における約１０秒間の待機の後、保持部７が保持部昇降機構４により再び図１に示す受渡位置まで下降し、半導体ウェハーＷが保持部７から支持ピン７０へと渡される。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、支持ピン７０上に載置された半導体ウェハーＷは装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの光照射加熱処理が完了する。
【００６６】
既述のように、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスがチャンバー６に継続的に供給されており、その供給量は、保持部７が処理位置に位置するときには約３０リットル／分とされ、保持部７が処理位置以外の位置に位置するときには約４０リットル／分とされる。
【００６７】
従来のようにシングルパルスの閃光照射を行う際に、欠陥回復をも可能なように高エネルギー照射或いはロングパルスの閃光照射を行うと、表面温度が著しく昇温して半導体ウェハーＷに熱的なダメージを与えることは既述した通りである。本実施形態においては、第１段階のピークを有する光照射を行い、それに続いて第２段階の弱めの追加光照射を行っている。このような２段階の光照射加熱を行うことによって、半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ２を超えて著しく昇温させることなく、表面よりもやや深い位置をもある程度昇温することができる。その結果、半導体ウェハーＷに熱的なダメージを与えることなく、注入されたイオンの活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。
【００６８】
本実施形態の２段階光照射加熱において、第１段階でのフラッシュランプＦＬの発光出力がピーク時の発光出力ＬＰの３分の２以下となった時点で第２段階の追加の光照射を開始するとともに、常に発光出力ＬＰの３分の２以下の発光出力によって第２段階の光照射を行っている。これは、第２段階の発光出力がピーク時の発光出力ＬＰの３分の２を超えると、ロングパルスの閃光照射を行ったのと同様に、半導体ウェハーＷの表面温度が処理温度Ｔ２を超えて著しく昇温し続けるためである。また、第１段階の光照射時間を１０ミリセカンド以下としてるのも、１０ミリセカンドを越えると半導体ウェハーＷの表面温度が処理温度Ｔ２を超えて昇温し、熱的なダメージが発生するためである。
【００６９】
また、２段階光照射加熱において、第２段階の光照射時間を５ミリセカンド以上としているのは、欠陥の回復が進行する程度の時間、半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ２に維持するためである。
【００７０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、フラッシュランプＦＬによる２段階の光照射加熱は図９の例に限定されるものではなく、図１０のようなものであっても良い。図１０（ａ）に示す例においても、ピークが発光出力ＬＰとなる出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第１段階と、そのピークが過ぎた後に発光出力ＬＰよりも小さな発光出力にて半導体ウェハーＷに追加の光照射を行う第２段階と、によって構成される２段階の光照射加熱を行っている。図１０（ａ）の例が図９（ａ）と相違するのは、第２段階の光照射時間が図９の例よりも長時間である点である。ピーク時の発光出力ＬＰの３分の２以下の発光出力によって光照射を行う第２段階の光照射時間を長くすることにより、図１０（ｂ）に示すように、半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ２に維持する時間を長くすることができる。
【００７１】
このようにしても、半導体ウェハーＷの表面温度が処理温度Ｔ２を超えて著しく昇温することはない一方、表面よりもやや深い位置もある程度昇温するため、上記実施形態と同様に、半導体ウェハーＷに熱的なダメージを与えることなく、注入されたイオンの活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。第２段階の光照射時間は図１０の例よりもさらに長時間であっても良いが、第１段階での光照射時間と第２段階での光照射時間との合計は１秒以下である。
【００７２】
集約すれば、光照射の総時間が１秒以下の光照射加熱（いわゆるミリセカンドアニール）において、ピークが発光出力ＬＰとなる出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第１段階と、そのピークが過ぎた後に発光出力ＬＰよりも小さな発光出力にて半導体ウェハーＷに追加の光照射を行う第２段階と、によって構成される２段階照射を行うものであれば良い。このようにすれば、半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ２に維持しつつも、表面よりやや深い位置をもある程度昇温するため、半導体ウェハーＷに熱的なダメージを与えることなく、注入されたイオンの活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。
【００７３】
また、パルス信号の波形の設定は、入力部３３から逐一パルス幅等のパラメータを入力することに限定されるものではなく、例えば、オペレータが入力部３３から波形を直接グラフィカルに入力するようにしても良いし、以前に設定されて磁気ディスク等の記憶部に記憶されていた波形を読み出すようにしても良いし、或いは熱処理装置１の外部からダウンロードするようにしても良い。
【００７４】
また、上記実施形態においては、パルス信号がＯＮになるタイミングと同期してトリガー電極９１に電圧を印加するようにしていたが、トリガー電圧を印加するタイミングはこれに限定されるものではなく、パルス信号の波形とは無関係に一定間隔で印加するようにしても良い。また、パルス信号のスペース幅が狭く、あるパルスによってフラッシュランプＦＬを流れた電流の電流値が所定値以上残っている状態で次のパルスによって通電を開始されるような場合であれば、そのままフラッシュランプＦＬに電流が流れ続けるため、パルス毎にトリガー電圧を印加する必要はない。上記実施形態の図８のように、パルス信号の全てのスペース幅が狭い場合には、最初のパルス（またはこれに加えて第２段階の最初のパルス）が印加されたときのみにトリガー電圧を印加するようにしても良く、その後はトリガー電圧を印加せずともスイッチング素子９６のゲートに図８（ａ）のパルス信号を出力するだけで図８（ｂ）のような電流波形を形成することができる。つまり、パルス信号がＯＮになるときに、フラッシュランプＦＬに電流が流れるタイミングであれば、トリガー電圧の印加タイミングは任意である。
【００７５】
また、上記実施形態においては、ランプハウス５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。
【００７６】
また、上記実施形態においては、スイッチング素子９６としてＩＧＢＴを使用していたが、これに限定されるものではなく、ＩＧＢＴ以外の他のトランジスタであっても良いし、入力されたパルス信号の波形に応じて回路をオンオフできる素子であれば良い。もっとも、フラッシュランプＦＬの発光には相当に大きな電力が消費されるため、大電力の取り扱いに適したＩＧＢＴやＧＴＯ(Gate Turn Off)サイリスタをスイッチング素子９６として採用するのが好ましい。
【００７７】
また、２段階の光照射を行うことができれば、図６とは異なる回路構成であっても良く、例えば、コイル定数の異なる２つの電力供給回路を１つのフラッシュランプＦＬに接続するようにしても良い。
【００７８】
さらに、２段階の光照射を行うことができれば、光源としてはフラッシュランプＦＬに限定されるものではなく、照射時間が１秒以下の光照射が可能なものであれば良く、例えばレーザであっても良い。
【００７９】
また、本発明に係る熱処理装置によって処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではなく、液晶表示装置などに用いるガラス基板であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明に係る熱処理装置の構成を示す側断面図である。
【図２】図１の熱処理装置のガス路を示す断面図である。
【図３】保持部の構成を示す断面図である。
【図４】ホットプレートを示す平面図である。
【図５】図１の熱処理装置の構成を示す側断面図である。
【図６】フラッシュランプの駆動回路を示す図である。
【図７】予備加熱が開始されてからの半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。
【図８】パルス信号の波形と回路に流れる電流との相関の一例を示す図である。
【図９】フラッシュランプの発光出力と半導体ウェハーの表面温度との相関の一例を示す図である。
【図１０】フラッシュランプの発光出力と半導体ウェハーの表面温度との相関の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１ 熱処理装置
３ 制御部
４ 保持部昇降機構
５ ランプハウス
６ チャンバー
７ 保持部
３１ パルス発生器
３２ 波形設定部
３３ 入力部
６０ 上部開口
６１ チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７１ ホットプレート
７２ サセプタ
９１ トリガー電極
９２ ガラス管
９３ コンデンサ
９４ コイル
９６ スイッチング素子
９７ トリガー回路
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等（以下、単に「基板」と称する）に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法および熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、イオン注入後の半導体ウェハーのイオン活性化工程においては、ハロゲンランプを使用したランプアニール装置が一般的に使用されていた。このようなランプアニール装置においては、半導体ウェハーを、例えば、１０００℃ないし１１００℃程度の温度に加熱（アニール）することにより、半導体ウェハーのイオン活性化を実行している。そして、このような熱処理装置においては、ハロゲンランプより照射される光のエネルギーを利用することにより、毎秒数百度程度の速度で基板を昇温する構成となっている。
【０００３】
一方、近年、半導体デバイスの高集積化が進展し、ゲート長が短くなるにつれて接合深さも浅くすることが望まれている。しかしながら、毎秒数百度程度の速度で半導体ウェハーを昇温する上記ランプアニール装置を使用して半導体ウェハーのイオン活性化を実行した場合においても、半導体ウェハーに打ち込まれたボロンやリン等のイオンが熱によって深く拡散するという現象が生ずることが判明した。このような現象が発生した場合においては、接合深さが要求よりも深くなり過ぎ、良好なデバイス形成に支障が生じることが懸念される。
【０００４】
このため、キセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する）を使用して半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射することにより、イオンが注入された半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリセカンド以下）に昇温させる技術が提案されている（例えば、特許文献１，２）。キセノンフラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、キセノンフラッシュランプから半導体ウェハーにフラッシュ光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリセカンド以下の極めて短時間のフラッシュ光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。このため、キセノンフラッシュランプによる極短時間の昇温であれば、イオンを深く拡散させることなく、イオン活性化のみを実行することができるのである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−５５８２１号公報
【特許文献２】特開２００４−８８０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、フラッシュ加熱を行う前工程でのイオン注入時に高エネルギーのイオンを打ち込んだ結果、半導体ウェハーのシリコン結晶には多数の欠陥が導入される。このような欠陥は、イオン注入層よりもやや深い位置に導入される傾向がある。フラッシュ加熱を行う際には、イオン活性化のみらず、導入された欠陥の回復をも併せて行うことが望ましい。
【０００７】
しかしながら、フラッシュランプの発光時間が１ミリセカンド程度の極短時間照射の場合、半導体ウェハーの表面の温度上昇速度の方がシリコンの熱伝導によって熱がウェハー内部に伝わるよりも早いため、イオン注入層の昇温は可能であるものの、欠陥が導入されている深さ位置までの昇温は困難であった。もっとも、フラッシュランプから極めて高いエネルギーの光を照射すれば、１ミリセカンド程度の極短時間照射であっても欠陥が導入されている深さ位置まで昇温することができ、欠陥の回復を行うことはできるものの、表面温度が著しく上昇して半導体ウェハーにダメージを与えるという問題が生じる。
【０００８】
また、フラッシュランプに電力供給を行う電源回路のコイル定数を調整することによってフラッシュランプの発光時間を数ミリセカンド程度に伸ばすことができる。発光時間を数ミリセカンド程度とすれば、半導体ウェハーの表面のみならず内部をもある程度昇温することができ、イオン注入時に導入された欠陥の回復には有効であると考えられる。ところが、フラッシュランプの発光時間を数ミリセカンド程度と長くすると、半導体ウェハーの表面が昇温し続けて新たな結晶欠陥が発生するおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基板にダメージを与えることなく、注入されたイオンの活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる熱処理方法および熱処理装置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】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法において、ピークが第１の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行う第１光照射工程と、前記ピークを過ぎた後に前記第１の発光出力よりも小さな発光出力にて基板に追加の光照射を行う第２光照射工程と、を備え、前記第１光照射工程での光照射時間と前記第２光照射工程での光照射時間との合計が１秒以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理方法において、前記ピークを過ぎた後に前記第１光照射工程での発光出力が前記第１の発光出力の３分の２以下となったときに前記第２光照射工程による追加の光照射を開始することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る熱処理方法において、前記第１光照射工程での光照射時間は０．１ミリセカンド以上１０ミリセカンド以下であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る熱処理方法において、前記第２光照射工程での光照射時間は５ミリセカンド以上であることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５の発明は、基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置において、基板を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された基板に光を照射する光照射手段と、前記光照射手段の発光出力を制御する発光制御手段と、を備え、前記発光制御手段は、光照射の総時間が１秒以下となる範囲内にて、ピークが第１の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行いつつ、前記ピークを過ぎた後に前記第１の発光出力よりも小さな発光出力にて基板に追加の光照射を行うように前記光照射手段の発光出力を制御することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６の発明は、請求項５の発明に係る熱処理装置において、前記発光制御手段は、前記ピークを過ぎた後に発光出力が前記第１の発光出力の３分の２以下となったときに前記追加の光照射を開始するように前記光照射手段の発光出力を制御することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７の発明は、請求項５または請求項６の発明に係る熱処理装置において、前記追加の光照射を開始するまでの光照射時間は０．１ミリセカンド以上１０ミリセカンド以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る熱処理装置において、前記追加の光照射を行う時間は５ミリセカンド以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１から請求項４の発明によれば、ピークが第１の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行う第１光照射工程と、そのピークを過ぎた後に第１の発光出力よりも小さな発光出力にて基板に追加の光照射を行う第２光照射工程と、を備え、第１光照射工程での光照射時間と第２光照射工程での光照射時間との合計が１秒以下であるため、第１光照射工程にて昇温された基板の表面温度が第２光照射工程にても概ねそのまま維持されることとなり、基板表面を過度に加熱することなく欠陥導入位置まである程度昇温することができ、基板にダメージを与えることなく、注入されたイオンの活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。
【００１９】
特に、請求項２の発明によれば、ピークを過ぎた後に第１光照射工程での発光出力が第１の発光出力の３分の２以下となったときに第２光照射工程による追加の光照射を開始するため、基板の表面温度が第１光照射工程で昇温された温度を著しく超えることはなく、基板にダメージを与えることを確実に防止することができる。
【００２０】
請求項５から請求項８の発明によれば、光照射の総時間が１秒以下となる範囲内にて、ピークが第１の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行いつつ、そのピークを過ぎた後に第１の発光出力よりも小さな発光出力にて基板に追加の光照射を行うため、基板表面を過度に加熱することなく欠陥導入位置まである程度昇温することができ、最初の昇温された基板の表面温度がその後も概ねそのまま維持されることとなり、基板にダメージを与えることなく、注入されたイオンの活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。
【００２１】
特に、請求項６の発明によれば、ピークを過ぎた後に発光出力が第１の発光出力の３分の２以下となったときに追加の光照射を開始するため、基板の表面温度が最初に昇温された温度を著しく超えることはなく、基板にダメージを与えることを確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
まず、本発明に係る熱処理装置の全体構成について概説する。図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す側断面図である。熱処理装置１は基板として略円形の半導体ウェハーＷに光を照射してその半導体ウェハーＷを加熱するランプアニール装置である。
【００２４】
熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容する略円筒形状のチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するランプハウス５と、を備える。また、熱処理装置１は、チャンバー６およびランプハウス５に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。
【００２５】
チャンバー６は、ランプハウス５の下方に設けられており、略円筒状の内壁を有するチャンバー側部６３、および、チャンバー側部６３の下部を覆うチャンバー底部６２によって構成される。また、チャンバー側部６３およびチャンバー底部６２によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。熱処理空間６５の上方は上部開口６０とされており、上部開口６０にはチャンバー窓６１が装着されて閉塞されている。
【００２６】
チャンバー６の天井部を構成するチャンバー窓６１は、石英により形成された円板形状部材であり、ランプハウス５から出射された光を熱処理空間６５に透過する石英窓として機能する。チャンバー６の本体を構成するチャンバー底部６２およびチャンバー側部６３は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されており、チャンバー側部６３の内側面の上部のリング６３１は、光照射による劣化に対してステンレススチールより優れた耐久性を有するアルミニウム（Ａｌ）合金等で形成されている。
【００２７】
チャンバー底部６２には、保持部７を貫通して半導体ウェハーＷをその下面（ランプハウス５からの光が照射される側とは反対側の面）から支持するための複数（本実施の形態では３本）の支持ピン７０が立設されている。支持ピン７０は、例えば石英により形成されており、チャンバー６の外部から固定されているため、容易に取り替えることができる。
【００２８】
チャンバー側部６３は、半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部６６を有し、搬送開口部６６は、軸６６２を中心に回動するゲートバルブ１８５により開閉可能とされる。チャンバー側部６３における搬送開口部６６とは反対側の部位には熱処理空間６５に処理ガス（例えば、窒素（Ｎ2）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガス、あるいは、酸素（０2）ガス等）を導入する導入路８１が形成され、その一端は弁８２を介して図示省略の給気機構に接続され、他端はチャンバー側部６３の内部に形成されるガス導入バッファ８３に接続される。また、搬送開口部６６には熱処理空間６５内の気体を排出する排出路８６が形成され、弁８７を介して図示省略の排気機構に接続される。
【００２９】
図２は、チャンバー６をガス導入バッファ８３の位置にて水平面で切断した断面図である。図２に示すように、ガス導入バッファ８３は、図１に示す搬送開口部６６の反対側においてチャンバー側部６３の内周の約１／３に亘って形成されており、導入路８１を介してガス導入バッファ８３に導かれた処理ガスは、複数のガス供給孔８４から熱処理空間６５内へと供給される。
【００３０】
また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部において半導体ウェハーＷを水平姿勢にて保持しつつ光照射前にその保持する半導体ウェハーＷの予備加熱を行う略円板状の保持部７と、保持部７をチャンバー６の底面であるチャンバー底部６２に対して昇降させる保持部昇降機構４と、を備える。図１に示す保持部昇降機構４は、略円筒状のシャフト４１、移動板４２、ガイド部材４３（本実施の形態ではシャフト４１の周りに３本配置される）、固定板４４、ボールネジ４５、ナット４６およびモータ４０を有する。チャンバー６の下部であるチャンバー底部６２には保持部７よりも小さい直径を有する略円形の下部開口６４が形成されており、ステンレススチール製のシャフト４１は、下部開口６４を挿通して、保持部７（厳密には保持部７のホットプレート７１）の下面に接続されて保持部７を支持する。
【００３１】
移動板４２にはボールネジ４５と螺合するナット４６が固定されている。また、移動板４２は、チャンバー底部６２に固定されて下方へと伸びるガイド部材４３により摺動自在に案内されて上下方向に移動可能とされる。また、移動板４２は、シャフト４１を介して保持部７に連結される。
【００３２】
モータ４０は、ガイド部材４３の下端部に取り付けられる固定板４４に設置され、タイミングベルト４０１を介してボールネジ４５に接続される。保持部昇降機構４により保持部７が昇降する際には、駆動部であるモータ４０が制御部３の制御によりボールネジ４５を回転し、ナット４６が固定された移動板４２がガイド部材４３に沿って鉛直方向に移動する。この結果、移動板４２に固定されたシャフト４１が鉛直方向に沿って移動し、シャフト４１に接続された保持部７が図１に示す半導体ウェハーＷの受渡位置と図５に示す半導体ウェハーＷの処理位置との間で滑らかに昇降する。
【００３３】
移動板４２の上面には略半円筒状（円筒を長手方向に沿って半分に切断した形状）のメカストッパ４５１がボールネジ４５に沿うように立設されており、仮に何らかの異常により移動板４２が所定の上昇限界を超えて上昇しようとしても、メカストッパ４５１の上端がボールネジ４５の端部に設けられた端板４５２に突き当たることによって移動板４２の異常上昇が防止される。これにより、保持部７がチャンバー窓６１の下方の所定位置以上に上昇することはなく、保持部７とチャンバー窓６１との衝突が防止される。
【００３４】
また、保持部昇降機構４は、チャンバー６の内部のメンテナンスを行う際に保持部７を手動にて昇降させる手動昇降部４９を有する。手動昇降部４９はハンドル４９１および回転軸４９２を有し、ハンドル４９１を介して回転軸４９２を回転することより、タイミングベルト４９５を介して回転軸４９２に接続されるボールネジ４５を回転して保持部７の昇降を行うことができる。
【００３５】
チャンバー底部６２の下側には、シャフト４１の周囲を囲み下方へと伸びる伸縮自在のベローズ４７が設けられ、その上端はチャンバー底部６２の下面に接続される。一方、ベローズ４７の下端はベローズ下端板４７１に取り付けられている。べローズ下端板４７１は、鍔状部材４１１によってシャフト４１にネジ止めされて取り付けられている。保持部昇降機構４により保持部７がチャンバー底部６２に対して上昇する際にはベローズ４７が収縮され、下降する際にはべローズ４７が伸張される。そして、保持部７が昇降する際にも、ベローズ４７が伸縮することによって熱処理空間６５内の気密状態が維持される。
【００３６】
図３は、保持部７の構成を示す断面図である。保持部７は、半導体ウェハーＷを予備加熱（いわゆるアシスト加熱）するホットプレート（加熱プレート）７１、および、ホットプレート７１の上面（保持部７が半導体ウェハーＷを保持する側の面）に設置されるサセプタ７２を有する。保持部７の下面には、既述のように保持部７を昇降するシャフト４１が接続される。サセプタ７２は石英（あるいは、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）等であってもよい）により形成され、その上面には半導体ウェハーＷの位置ずれを防止するピン７５が設けられる。サセプタ７２は、その下面をホットプレート７１の上面に面接触させてホットプレート７１上に設置される。これにより、サセプタ７２は、ホットプレート７１からの熱エネルギーを拡散してサセプタ７２上面に載置された半導体ウェハーＷに伝達するとともに、メンテナンス時にはホットプレート７１から取り外して洗浄可能とされる。
【００３７】
ホットプレート７１は、ステンレススチール製の上部プレート７３および下部プレート７４にて構成される。上部プレート７３と下部プレート７４との間には、ホットプレート７１を加熱するニクロム線等の抵抗加熱線７６が配設され、導電性のニッケル（Ｎｉ）ロウが充填されて封止されている。また、上部プレート７３および下部プレート７４の端部はロウ付けにより接着されている。
【００３８】
図４は、ホットプレート７１を示す平面図である。図４に示すように、ホットプレート７１は、保持される半導体ウェハーＷと対向する領域の中央部に同心円状に配置される円板状のゾーン７１１および円環状のゾーン７１２、並びに、ゾーン７１２の周囲の略円環状の領域を周方向に４等分割した４つのゾーン７１３〜７１６を備え、各ゾーン間には若干の間隙が形成されている。また、ホットプレート７１には、支持ピン７０が挿通される３つの貫通孔７７が、ゾーン７１１とゾーン７１２との隙間の周上に１２０°毎に設けられる。
【００３９】
６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、相互に独立した抵抗加熱線７６が周回するように配設されてヒータが個別に形成されており、各ゾーンに内蔵されたヒータにより各ゾーンが個別に加熱される。保持部７に保持された半導体ウェハーＷは、６つのゾーン７１１〜７１６に内蔵されたヒータにより加熱される。また、ゾーン７１１〜７１６のそれぞれには、熱電対を用いて各ゾーンの温度を計測するセンサ７１０が設けられている。各センサ７１０は略円筒状のシャフト４１の内部を通り制御部３に接続される。
【００４０】
ホットプレート７１が加熱される際には、センサ７１０により計測される６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が予め設定された所定の温度になるように、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が制御部３により制御される。制御部３による各ゾーンの温度制御はＰＩＤ(Proportional,Integral,Derivative)制御により行われる。ホットプレート７１では、半導体ウェハーＷの熱処理（複数の半導体ウェハーＷを連続的に処理する場合は、全ての半導体ウェハーＷの熱処理）が終了するまでゾーン７１１〜７１６のそれぞれの温度が継続的に計測され、各ゾーンに配設された抵抗加熱線７６への電力供給量が個別に制御されて、すなわち、各ゾーンに内蔵されたヒータの温度が個別に制御されて各ゾーンの温度が設定温度に維持される。なお、各ゾーンの設定温度は、基準となる温度から個別に設定されたオフセット値だけ変更することが可能とされる。
【００４１】
６つのゾーン７１１〜７１６にそれぞれ配設される抵抗加熱線７６は、シャフト４１の内部を通る電力線を介して電力供給源（図示省略）に接続されている。電力供給源から各ゾーンに至る経路途中において、電力供給源からの電力線は、マグネシア（マグネシウム酸化物）等の絶縁体を充填したステンレスチューブの内部に互いに電気的に絶縁状態となるように配置される。なお、シャフト４１の内部は大気開放されている。
【００４２】
次に、ランプハウス５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、を備えて構成される。また、ランプハウス５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。ランプハウス５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状部材である。ランプハウス５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３がチャンバー窓６１と相対向することとなる。ランプハウス５は、チャンバー６内にて保持部７に保持される半導体ウェハーＷにランプ光放射窓５３およびチャンバー窓６１を介してフラッシュランプＦＬから光を照射することにより半導体ウェハーＷを加熱する。
【００４３】
複数のフラッシュランプＦＬは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。
【００４４】
図６は、フラッシュランプＦＬの駆動回路を示す図である。同図に示すように、コンデンサ９３と、コイル９４と、フラッシュランプＦＬと、スイッチング素子９６とが直列に接続されている。フラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部に陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）９２と、該ガラス管９２の外周面上に付設されたトリガー電極９１とを備える。コンデンサ９３には、電源ユニット９５によって所定の電圧が印加され、その印加電圧に応じた電荷が充電される。また、トリガー電極９１にはトリガー回路９７から電圧を印加することができる。トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングは制御部３によって制御される。
【００４５】
本実施の形態では、スイッチング素子９６として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ；Insulated gate bipolar transistor）を用いている。ＩＧＢＴは、ゲート部にＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）を組み込んだバイポーラトランジスタであり、大電力を取り扱うのに適したスイッチング素子である。スイッチング素子９６のゲートには制御部３のパルス発生器３１からパルス信号が印加される。
【００４６】
コンデンサ９３が充電された状態でスイッチング素子９６のゲートにパルスが出力されてガラス管９２の両端電極に高電圧が印加されたとしても、キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加して絶縁を破壊した場合にはガラス管９２内の両端電極間で電流が瞬時に流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。
【００４７】
また、図１のリフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射された光を保持部７の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されて梨地模様を呈する。このような粗面化加工を施しているのは、リフレクタ５２の表面が完全な鏡面であると、複数のフラッシュランプＦＬからの反射光の強度に規則パターンが生じて半導体ウェハーＷの表面温度分布の均一性が低下するためである。
【００４８】
制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えて構成される。また、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備えるとともに、入力部３３に接続されている。入力部３３としては、キーボード、マウス、タッチパネル等の種々の公知の入力機器を採用することができる。入力部３３からの入力内容に基づいて波形設定部３２がパルス信号の波形を設定し、その波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を発生する。
【００４９】
上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にフラッシュランプＦＬおよびホットプレート７１から発生する熱エネルギーによるチャンバー６およびランプハウス５の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６のチャンバー側部６３およびチャンバー底部６２には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ランプハウス５は、内部に気体流を形成して排熱するための気体供給管５５および排気管５６が設けられて空冷構造とされている（図１，５参照）。また、チャンバー窓６１とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、ランプハウス５およびチャンバー窓６１を冷却する。
【００５０】
次に、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷはイオン注入法により不純物（イオン）が添加された半導体基板であり、添加された不純物の活性化およびイオン注入時に導入された欠陥の回復が熱処理装置１による光照射加熱処理（アニール）により実行される。
【００５１】
まず、保持部７が図５に示す処理位置から図１に示す受渡位置に下降する。「処理位置」とは、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷに光照射が行われるときの保持部７の位置であり、図５に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。また、「受渡位置」とは、チャンバー６に半導体ウェハーＷの搬出入が行われるときの保持部７の位置であり、図１に示す保持部７のチャンバー６内における位置である。熱処理装置１における保持部７の基準位置は処理位置であり、処理前にあっては保持部７は処理位置に位置しており、これが処理開始に際して受渡位置に下降するのである。図１に示すように、保持部７が受渡位置にまで下降するとチャンバー底部６２に近接し、支持ピン７０の先端が保持部７を貫通して保持部７の上方に突出する。
【００５２】
次に、保持部７が受渡位置に下降したときに、弁８２および弁８７が開かれてチャンバー６の熱処理空間６５内に常温の窒素ガスが導入される。続いて、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介して半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入され、複数の支持ピン７０上に載置される。
【００５３】
半導体ウェハーＷの搬入時におけるチャンバー６への窒素ガスのパージ量は約４０リットル／分とされ、供給された窒素ガスはチャンバー６内においてガス導入バッファ８３から図２中に示す矢印ＡＲ４の方向へと流れ、図１に示す排出路８６および弁８７を介してユーティリティ排気により排気される。また、チャンバー６に供給された窒素ガスの一部は、べローズ４７の内側に設けられる排出口（図示省略）からも排出される。なお、以下で説明する各ステップにおいて、チャンバー６には常に窒素ガスが供給および排気され続けており、窒素ガスの供給量は半導体ウェハーＷの処理工程に合わせて様々に変更される。
【００５４】
半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されると、ゲートバルブ１８５により搬送開口部６６が閉鎖される。そして、保持部昇降機構４により保持部７が受渡位置からチャンバー窓６１に近接した処理位置にまで上昇する。保持部７が受渡位置から上昇する過程において、半導体ウェハーＷは支持ピン７０から保持部７のサセプタ７２へと渡され、サセプタ７２の上面に載置・保持される。保持部７が処理位置にまで上昇するとサセプタ７２に保持された半導体ウェハーＷも処理位置に保持されることとなる。
【００５５】
ホットプレート７１の６つのゾーン７１１〜７１６のそれぞれは、各ゾーンの内部（上部プレート７３と下部プレート７４との間）に個別に内蔵されたヒータ（抵抗加熱線７６）により所定の温度まで加熱されている。保持部７が処理位置まで上昇して半導体ウェハーＷが保持部７と接触することにより、その半導体ウェハーＷはホットプレート７１に内蔵されたヒータによって予備加熱されて温度が次第に上昇する。
【００５６】
図７は、予備加熱が開始されてからの半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。処理位置にて時間ｔ１の予備加熱が行われ、半導体ウェハーＷの温度が予め設定された予備加熱温度Ｔ１まで上昇する。予備加熱温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷに添加された不純物が熱により拡散する恐れのない、２００℃ないし８００℃程度、好ましくは３５０℃ないし６００℃程度とされる（本実施の形態では６００℃）。また、半導体ウェハーＷの予備加熱を行う時間ｔ１は、約３秒〜２００秒とされる（本実施の形態では６０秒）。なお、保持部７とチャンバー窓６１との間の距離は、保持部昇降機構４のモータ４０の回転量を制御することにより任意に調整することが可能とされている。
【００５７】
時間ｔ１の予備加熱時間が経過した後、時刻ＡにてフラッシュランプＦＬによる半導体ウェハーＷの光照射加熱（フラッシュ加熱）が開始される。フラッシュランプＦＬからの光照射を行うに際しては、予め電源ユニット９５によってコンデンサ９３に電荷を蓄積しておく。そして、コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にて、制御部３のパルス発生器３１からスイッチング素子９６にパルス信号を出力する。
【００５８】
図８は、パルス信号の波形と回路に流れる電流との相関の一例を示す図である。ここでは、図８（ａ）に示すような波形のパルス信号がパルス発生器３１から出力される。パルス信号の波形は、入力部３３からパルスの立ち上がっている時間（ＯＮ時間）とパルス間のスペース時間（ＯＦＦ時間）とを順次設定したレシピを入力することによって規定することができる。このようなレシピをオペレータが入力部３３から制御部３に入力すると、制御部３の波形設定部３２は図８（ａ）に示すようなパルス波形を設定する。図８（ａ）に示すパルス波形においては、最初に比較的長いパルスが設定されるとともに、その後に比較的短い複数のパルスが設定されている。そして、波形設定部３２によって設定されたパルス波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を出力する。その結果、スイッチング素子９６のゲートには図８（ａ）のような波形のパルス信号が印加され、スイッチング素子９６の駆動が制御されることとなる。
【００５９】
また、パルス発生器３１から出力するパルス信号がＯＮになるタイミングと同期して制御部３がトリガー回路９７を制御してトリガー電極９１に電圧を印加する。これにより、スイッチング素子９６のゲートに入力されるパルス信号がＯＮのときにはガラス管９２内の両端電極間で必ず電流が流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。制御部３からスイッチング素子９６のゲートに図８（ａ）の波形のパルス信号を出力するとともに、該パルス信号がＯＮになるタイミングと同期してトリガー電極９１に電圧を印加することにより、フラッシュランプＦＬを含む回路中に図８（ｂ）に示すような電流が流れる。すなわち、スイッチング素子９６のゲートに入力されるパルス信号がＯＮのときに、フラッシュランプＦＬのガラス管９２内に流れる電流値が増加する。なお、各パルスに対応する個々の電流波形はコイル９４の定数によって規定される。
【００６０】
図８（ｂ）に示すような波形の電流が流れてフラッシュランプＦＬが発光する。フラッシュランプＦＬの発光出力は、フラッシュランプＦＬに流れる電流にほぼ比例する。従って、フラッシュランプＦＬの発光出力の出力波形は図９（ａ）に示すようなパターンとなる。図９（ａ）に示す如きフラッシュランプＦＬからの出力波形にて、処理位置の保持部７に保持された半導体ウェハーＷに光照射が行われる。その結果、半導体ウェハーＷの表面温度は図９（ｂ）に示すように変化する。
【００６１】
従来のように、スイッチング素子９６を使用することなくフラッシュランプＦＬを発光させた場合には、コンデンサ９３に蓄積されていた電荷が１回の発光で消費され、フラッシュランプＦＬからの出力波形は幅が０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンド程度のシングルパルスとなる。これに対して、本実施の形態のように、回路中にスイッチング素子９６を接続してそのゲートに図８（ａ）のようなパルス信号を出力することにより、いわばフラッシュランプＦＬの発光がチョッパ制御されることとなり、コンデンサ９３に蓄積された電荷が分割して消費され、極めて短い時間の間にフラッシュランプＦＬが点滅を繰り返す。なお、図８に示すように、電流値が完全に”０”となる前に次のパルスがスイッチング素子９６のゲートに印加されて電流値が再度増加するため、フラッシュランプＦＬが点滅を繰り返している間も発光出力が完全に”０”になるものではない。
【００６２】
図９（ａ）に示す如き出力波形は、２段階の光照射を行っているものとみなすことができる。すなわち、ピークが発光出力ＬＰとなる出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第１段階と、そのピークが過ぎた後に発光出力ＬＰよりも小さな発光出力にて半導体ウェハーＷに追加の光照射を行う第２段階と、によって構成される２段照射を行っている。
【００６３】
より詳細に述べれば、最初にスイッチング素子９６のゲートに比較的長いパルス信号を印加することによって、ピークが発光出力ＬＰとなる出力波形を形成する。そして、ピークを過ぎた後の第１段階でのフラッシュランプＦＬの発光出力がピーク時の発光出力ＬＰの３分の２以下となった時点でスイッチング素子９６のゲートに比較的短いパルス信号を断続的に印加して第２段階の追加の光照射を開始する。第１段階の光照射時間（フラッシュランプＦＬが第１段階の光照射を開始してから第２段階の光照射を開始するまでの時間）は０．１ミリセカンド以上１０ミリセカンド以下である。また、第２段階の追加の光照射は、常に発光出力ＬＰの３分の２以下の発光出力によって行う。第２段階の光照射時間は５ミリセカンド以上である。但し、１回のフラッシュ加熱におけるフラッシュランプＦＬの光照射の総時間、つまり第１段階での光照射時間と第２段階での光照射時間との合計は１秒以下である。
【００６４】
第１段階のピークを有する光照射を行うことによって、半導体ウェハーＷの表面温度は予備加熱温度Ｔ１から処理温度Ｔ２にまで昇温される。処理温度Ｔ２は、半導体ウェハーＷに注入された不純物の活性化が生じる１０００℃ないし１３００℃程度とされる（本実施の形態では約１０００℃）。そして、本実施形態においては、第１段階の光照射に続いて第２段階の追加の光照射を行うことにより、半導体ウェハーＷの表面温度を５ミリセカンド以上にわたって処理温度Ｔ２に維持している。このような加熱を行うと、イオン注入層よりもやや深い、欠陥が導入されている深さ位置までもある程度昇温されることとなり、その結果欠陥の回復も進行することとなる。しかも、図９（ｂ）に示すように、半導体ウェハーＷの表面温度が処理温度Ｔ２を超えて著しく昇温することはないため、半導体ウェハーＷに熱的なダメージを与えることも防止される。
【００６５】
第２段階の追加の光照射も終了すると、半導体ウェハーＷの表面温度は処理温度Ｔ２から急速に降温する。そして、フラッシュランプＦＬによる２段階の光照射加熱が終了し、処理位置における約１０秒間の待機の後、保持部７が保持部昇降機構４により再び図１に示す受渡位置まで下降し、半導体ウェハーＷが保持部７から支持ピン７０へと渡される。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、支持ピン７０上に載置された半導体ウェハーＷは装置外部の搬送ロボットにより搬出され、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの光照射加熱処理が完了する。
【００６６】
既述のように、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの熱処理時には窒素ガスがチャンバー６に継続的に供給されており、その供給量は、保持部７が処理位置に位置するときには約３０リットル／分とされ、保持部７が処理位置以外の位置に位置するときには約４０リットル／分とされる。
【００６７】
従来のようにシングルパルスの閃光照射を行う際に、欠陥回復をも可能なように高エネルギー照射或いはロングパルスの閃光照射を行うと、表面温度が著しく昇温して半導体ウェハーＷに熱的なダメージを与えることは既述した通りである。本実施形態においては、第１段階のピークを有する光照射を行い、それに続いて第２段階の弱めの追加光照射を行っている。このような２段階の光照射加熱を行うことによって、半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ２を超えて著しく昇温させることなく、表面よりもやや深い位置をもある程度昇温することができる。その結果、半導体ウェハーＷに熱的なダメージを与えることなく、注入されたイオンの活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。
【００６８】
本実施形態の２段階光照射加熱において、第１段階でのフラッシュランプＦＬの発光出力がピーク時の発光出力ＬＰの３分の２以下となった時点で第２段階の追加の光照射を開始するとともに、常に発光出力ＬＰの３分の２以下の発光出力によって第２段階の光照射を行っている。これは、第２段階の発光出力がピーク時の発光出力ＬＰの３分の２を超えると、ロングパルスの閃光照射を行ったのと同様に、半導体ウェハーＷの表面温度が処理温度Ｔ２を超えて著しく昇温し続けるためである。また、第１段階の光照射時間を１０ミリセカンド以下としてるのも、１０ミリセカンドを越えると半導体ウェハーＷの表面温度が処理温度Ｔ２を超えて昇温し、熱的なダメージが発生するためである。
【００６９】
また、２段階光照射加熱において、第２段階の光照射時間を５ミリセカンド以上としているのは、欠陥の回復が進行する程度の時間、半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ２に維持するためである。
【００７０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、フラッシュランプＦＬによる２段階の光照射加熱は図９の例に限定されるものではなく、図１０のようなものであっても良い。図１０（ａ）に示す例においても、ピークが発光出力ＬＰとなる出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第１段階と、そのピークが過ぎた後に発光出力ＬＰよりも小さな発光出力にて半導体ウェハーＷに追加の光照射を行う第２段階と、によって構成される２段階の光照射加熱を行っている。図１０（ａ）の例が図９（ａ）と相違するのは、第２段階の光照射時間が図９の例よりも長時間である点である。ピーク時の発光出力ＬＰの３分の２以下の発光出力によって光照射を行う第２段階の光照射時間を長くすることにより、図１０（ｂ）に示すように、半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ２に維持する時間を長くすることができる。
【００７１】
このようにしても、半導体ウェハーＷの表面温度が処理温度Ｔ２を超えて著しく昇温することはない一方、表面よりもやや深い位置もある程度昇温するため、上記実施形態と同様に、半導体ウェハーＷに熱的なダメージを与えることなく、注入されたイオンの活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。第２段階の光照射時間は図１０の例よりもさらに長時間であっても良いが、第１段階での光照射時間と第２段階での光照射時間との合計は１秒以下である。
【００７２】
集約すれば、光照射の総時間が１秒以下の光照射加熱（いわゆるミリセカンドアニール）において、ピークが発光出力ＬＰとなる出力波形にて半導体ウェハーＷに光照射を行う第１段階と、そのピークが過ぎた後に発光出力ＬＰよりも小さな発光出力にて半導体ウェハーＷに追加の光照射を行う第２段階と、によって構成される２段階照射を行うものであれば良い。このようにすれば、半導体ウェハーＷの表面温度を処理温度Ｔ２に維持しつつも、表面よりやや深い位置をもある程度昇温するため、半導体ウェハーＷに熱的なダメージを与えることなく、注入されたイオンの活性化および導入された欠陥の回復の双方を行うことができる。
【００７３】
また、パルス信号の波形の設定は、入力部３３から逐一パルス幅等のパラメータを入力することに限定されるものではなく、例えば、オペレータが入力部３３から波形を直接グラフィカルに入力するようにしても良いし、以前に設定されて磁気ディスク等の記憶部に記憶されていた波形を読み出すようにしても良いし、或いは熱処理装置１の外部からダウンロードするようにしても良い。
【００７４】
また、上記実施形態においては、パルス信号がＯＮになるタイミングと同期してトリガー電極９１に電圧を印加するようにしていたが、トリガー電圧を印加するタイミングはこれに限定されるものではなく、パルス信号の波形とは無関係に一定間隔で印加するようにしても良い。また、パルス信号のスペース幅が狭く、あるパルスによってフラッシュランプＦＬを流れた電流の電流値が所定値以上残っている状態で次のパルスによって通電を開始されるような場合であれば、そのままフラッシュランプＦＬに電流が流れ続けるため、パルス毎にトリガー電圧を印加する必要はない。上記実施形態の図８のように、パルス信号の全てのスペース幅が狭い場合には、最初のパルス（またはこれに加えて第２段階の最初のパルス）が印加されたときのみにトリガー電圧を印加するようにしても良く、その後はトリガー電圧を印加せずともスイッチング素子９６のゲートに図８（ａ）のパルス信号を出力するだけで図８（ｂ）のような電流波形を形成することができる。つまり、パルス信号がＯＮになるときに、フラッシュランプＦＬに電流が流れるタイミングであれば、トリガー電圧の印加タイミングは任意である。
【００７５】
また、上記実施形態においては、ランプハウス５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。
【００７６】
また、上記実施形態においては、スイッチング素子９６としてＩＧＢＴを使用していたが、これに限定されるものではなく、ＩＧＢＴ以外の他のトランジスタであっても良いし、入力されたパルス信号の波形に応じて回路をオンオフできる素子であれば良い。もっとも、フラッシュランプＦＬの発光には相当に大きな電力が消費されるため、大電力の取り扱いに適したＩＧＢＴやＧＴＯ(Gate Turn Off)サイリスタをスイッチング素子９６として採用するのが好ましい。
【００７７】
また、２段階の光照射を行うことができれば、図６とは異なる回路構成であっても良く、例えば、コイル定数の異なる２つの電力供給回路を１つのフラッシュランプＦＬに接続するようにしても良い。
【００７８】
さらに、２段階の光照射を行うことができれば、光源としてはフラッシュランプＦＬに限定されるものではなく、照射時間が１秒以下の光照射が可能なものであれば良く、例えばレーザであっても良い。
【００７９】
また、本発明に係る熱処理装置によって処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではなく、液晶表示装置などに用いるガラス基板であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明に係る熱処理装置の構成を示す側断面図である。
【図２】図１の熱処理装置のガス路を示す断面図である。
【図３】保持部の構成を示す断面図である。
【図４】ホットプレートを示す平面図である。
【図５】図１の熱処理装置の構成を示す側断面図である。
【図６】フラッシュランプの駆動回路を示す図である。
【図７】予備加熱が開始されてからの半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。
【図８】パルス信号の波形と回路に流れる電流との相関の一例を示す図である。
【図９】フラッシュランプの発光出力と半導体ウェハーの表面温度との相関の一例を示す図である。
【図１０】フラッシュランプの発光出力と半導体ウェハーの表面温度との相関の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１ 熱処理装置
３ 制御部
４ 保持部昇降機構
５ ランプハウス
６ チャンバー
７ 保持部
３１ パルス発生器
３２ 波形設定部
３３ 入力部
６０ 上部開口
６１ チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７１ ホットプレート
７２ サセプタ
９１ トリガー電極
９２ ガラス管
９３ コンデンサ
９４ コイル
９６ スイッチング素子
９７ トリガー回路
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法であって、
ピークが第１の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行う第１光照射工程と、
前記ピークを過ぎた後に前記第１の発光出力よりも小さな発光出力にて基板に追加の光照射を行う第２光照射工程と、
を備え、
前記第１光照射工程での光照射時間と前記第２光照射工程での光照射時間との合計が１秒以下であることを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】
請求項１記載の熱処理方法において、
前記ピークを過ぎた後に前記第１光照射工程での発光出力が前記第１の発光出力の３分の２以下となったときに前記第２光照射工程による追加の光照射を開始することを特徴とする熱処理方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の熱処理方法において、
前記第１光照射工程での光照射時間は０．１ミリセカンド以上１０ミリセカンド以下であることを特徴とする熱処理方法。
【請求項４】
請求項３記載の熱処理方法において、
前記第２光照射工程での光照射時間は５ミリセカンド以上であることを特徴とする熱処理方法。
【請求項５】
基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置であって、
基板を保持する保持手段と、
前記保持手段に保持された基板に光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段の発光出力を制御する発光制御手段と、
を備え、
前記発光制御手段は、光照射の総時間が１秒以下となる範囲内にて、ピークが第１の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行いつつ、前記ピークを過ぎた後に前記第１の発光出力よりも小さな発光出力にて基板に追加の光照射を行うように前記光照射手段の発光出力を制御することを特徴とする熱処理装置。
【請求項６】
請求項５記載の熱処理装置において、
前記発光制御手段は、前記ピークを過ぎた後に発光出力が前記第１の発光出力の３分の２以下となったときに前記追加の光照射を開始するように前記光照射手段の発光出力を制御することを特徴とする熱処理装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載の熱処理装置において、
前記追加の光照射を開始するまでの光照射時間は０．１ミリセカンド以上１０ミリセカンド以下であることを特徴とする熱処理装置。
【請求項８】
請求項７記載の熱処理装置において、
前記追加の光照射を行う時間は５ミリセカンド以上であることを特徴とする熱処理装置。
【請求項１】
基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法であって、
ピークが第１の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行う第１光照射工程と、
前記ピークを過ぎた後に前記第１の発光出力よりも小さな発光出力にて基板に追加の光照射を行う第２光照射工程と、
を備え、
前記第１光照射工程での光照射時間と前記第２光照射工程での光照射時間との合計が１秒以下であることを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】
請求項１記載の熱処理方法において、
前記ピークを過ぎた後に前記第１光照射工程での発光出力が前記第１の発光出力の３分の２以下となったときに前記第２光照射工程による追加の光照射を開始することを特徴とする熱処理方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の熱処理方法において、
前記第１光照射工程での光照射時間は０．１ミリセカンド以上１０ミリセカンド以下であることを特徴とする熱処理方法。
【請求項４】
請求項３記載の熱処理方法において、
前記第２光照射工程での光照射時間は５ミリセカンド以上であることを特徴とする熱処理方法。
【請求項５】
基板に対して光を照射することによって該基板を加熱する熱処理装置であって、
基板を保持する保持手段と、
前記保持手段に保持された基板に光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段の発光出力を制御する発光制御手段と、
を備え、
前記発光制御手段は、光照射の総時間が１秒以下となる範囲内にて、ピークが第１の発光出力となる出力波形にて基板に光照射を行いつつ、前記ピークを過ぎた後に前記第１の発光出力よりも小さな発光出力にて基板に追加の光照射を行うように前記光照射手段の発光出力を制御することを特徴とする熱処理装置。
【請求項６】
請求項５記載の熱処理装置において、
前記発光制御手段は、前記ピークを過ぎた後に発光出力が前記第１の発光出力の３分の２以下となったときに前記追加の光照射を開始するように前記光照射手段の発光出力を制御することを特徴とする熱処理装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載の熱処理装置において、
前記追加の光照射を開始するまでの光照射時間は０．１ミリセカンド以上１０ミリセカンド以下であることを特徴とする熱処理装置。
【請求項８】
請求項７記載の熱処理装置において、
前記追加の光照射を行う時間は５ミリセカンド以上であることを特徴とする熱処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２６００１８（Ｐ２００９−２６００１８Ａ）
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０６８９４（Ｐ２００８−１０６８９４）
【出願日】平成２０年４月１６日（２００８．４．１６）
【出願人】（０００２０７５５１）大日本スクリーン製造株式会社 (2,640)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１６日（２００８．４．１６）
【出願人】（０００２０７５５１）大日本スクリーン製造株式会社 (2,640)
【Ｆターム（参考）】
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