JPH0324720A - ウェハ処理方法及び処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体ウェハを光照射により加熱し、酸化，
拡散及び窒化等の処理を行うウェハ処理方法及び処理装
置に関する。

（従来の技術） 近年、超ＬＳＩにおいては、素子の微細化・高密度化が
急速に進行している。それに対応して、生産工程中にハ
ロゲンランプ等の光照射加熱による高温短時間の熱処理
を取り入れることが検討されている。例えば、シリコン
ウェハ中に不純物を導入した後、結晶性の回復や不純物
の活性化のために熱処理を行うが、その際、不純物の再
分布を抑制して浅い接合を形成するため、光照射による
高温短時間の熱処理を行うことが検討されている。

また、ゲート絶縁膜も次第に薄膜化し、薄いＳｉｎ２膜
を制御性良ぐ形成することが要求されている。熱酸化膜
の絶縁特性は酸化温度が低い程劣ることが知られており
、やはり光照射加熱による高温短時間の急速酸化が検討
されている。さらに、薄いＳ　ｉ　Ｏ２膜を形威した後
で光照射加熱による高温短時間の急速窒化，急速酸化を
行うことにより、絶縁特性の良好な薄膜が得られること
が報告されている。

以上で述べた光照射加熱による高温短時間の熱処理では
、反応炉内に収容したシリコンウェハを、室温からｌ０
００℃以上の高温まで１０秒程度の時間で昇温し、また
熱処理終了後は室温へ数分程度の時間で降温する。

しかしながら、この種の方法にあっては次のような問題
があった。即ち、急激な昇降温を伴う熱処理をウェハに
施すと、しばしばウェハ外周部にスリップと呼ばれる結
晶欠陥が発生し、そのウェハは以後半導体素子の材料と
しては使用できなくなる。特に、１０５０℃以上の高温
で熱処理をした場合には必ずスリップが発生していた。

このようなウェハ外周部での結晶欠陥発生の原因は、以
下のように考えられる。光照射加熱による急速昇温では
ウェハのみが高温まで昇温し、ウェハ周囲の雰囲気ガス
はそれほど昇温しない。そのため、ウェハ周囲の雰囲気
ガスに熱が放散するが、ウェハ外周部からの熱放散はウ
ェハ中央部からの熱放散よりも格段に大きく、ウェハ外
周部の温度は中央部に比べて低くなる。

さらに、半径方向の温度勾配はウェハ外周部で特に大き
く、熱膨脹の差による歪み応力のためにウェハ外周部で
結晶欠陥が発生する。

上記ウェハ外周部での結晶欠陥の発生を防止するために
、反応炉内に導入するガスを予め加熱し、ウェハからウ
ェハ周囲の雰囲気ガスへの熱の放散を抑制するという方
法が知られている。

しかし、この方法には以下のような問題がある。

ウェハ外周部での結晶欠陥の発生を防止するためには、
反応炉内に導入するガスをかなりの高温まで加熱する必
要がある。ところが、高温のガスを熱処理開始から終了
まで炉内に導入し続けると、炉自体も昇温しでしまう。

そのため、熱処理後のウェハの降温時間が長くなり、熱
処理時間を短時間に制御することが難しくなる。

実際の生産工程では連続して同一の熱処理を行うことが
多いため、熱処理時間を短時間に制御することはさらに
困難となる。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、光照射による高温短時間の熱処理を行
うと、ウェハ外周部にスリップと呼ばれる結晶欠陥が発
生する問題があった。また、このようなウェハ外周部で
の結晶欠陥の発生を防止するために、反応炉内に導入す
るガスを予め高温に加熱すると、炉自体も昇温すること
から熱処理終了後の降温時間が長くなり、熱処理時間を
短時間に制御することは困難であった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、ウェハ外周部に結晶欠陥を発生させ
ることなく、光照射による高温短時間の熱処理を行うこ
とができる半導体ウェハの処理方法を提供することにあ
る。

また本発明は、上記方法を実施するためのウェハ処理装
置を提供することにある。

［発明の構或］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、ウェハ温度に応じてガスの温度を昇降
することにより、ウェハ外周部からの熱放散を低減する
ことにある。

即ち本発明は、半導体ウェハを収容した処理容器内に所
定のガスを導入すると共に、ウェハの表面に光を照射し
て該ウェハを加熱処理するウェハ処理方法において、処
理容器内に導入するガスの温度を、熱処理中のウェハの
温度に応じて可変制御するようにした方法である。

また本発明は、上記方法を実施するためのウェハ処理装
置において、半導体ウェハを収容する処理容器と、この
容器内にガスを導入する手段と、ウェハの表面に光を照
射して該ウェハを加熱する手段と、処理容器内に導入さ
れるガスの温度を熱処理中のウェハの温度に応じて昇降
温させる手段とを設けるようにしたものである。

さらに本発明は、ガスの温度を昇降温させる手段として
、処理容器に隣接して該容器内にガスを導入するための
複数のガス容器を設け、それぞれのガス容器内のガスを
熱処理時のウェハ表面の最低温度から最高温度までの間
の異なる温度に保持し、熱処理中のウェハの温度に応じ
て処理容器に接続するガス容器を選択するようにしたも
のである。

（作用） 本発明によれば、半導体ウェハを光照射で加熱する際に
、処理容器内に導入するガスの温度を熱処理中のウェハ
温度に応じて昇降温させる（ウェハ温度に近付ける）こ
とにより、ウェハからウェハ周囲の雰囲気ガスへの熱の
放散を抑制できると同時に、高温の気体が容器内に導入
される時間が短くなることにより、容器自体の昇温を抑
制することができる。これにより、ウェハ外周部に結晶
欠陥を発生させることなく、高温短時間の熱処理を行う
ことが可能となる。

なお、処理容器内に導入されるガスの温度と半導体ウェ
ハ表面の温度との差は小さい方がよいが、本発明者等の
実験によれば、この温度差を５００℃以内程度に保てば
結晶欠陥の発生は殆ど抑えられることが判明している。

また、予め複数のガス容器中に、熱処理中における半導
体ウェハ表面の最低温度から最高温度までの各温度に加
熱したガスを用意し、ウェハ表面の温度変化に応じて順
次に容器内に導入することにより、処理容器内に導入さ
れるガスの温度をウェハの昇降温に同期して昇降温させ
ることを容易に実現することが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わるウェハ処理装置を示
す概略構成図である。図中１１は石英ガラス製の反応炉
（容器）であり、この反応炉１１内にはサセプタ１２上
に支持されたウェハ１３が収容される。反応炉１１には
、ガスを導入するためのガス導入口１４及びガスを排気
するためのガス排気口１５が設けられている。

そして、ガス導入口１４から反応炉１１内に導入される
ガスは、ガス配管１６から供給されガスヒータ１７によ
り加熱されるものとなっている。ガスヒータ１７は、制
御装置１８からの制御指令により動作するヒータ電源１
つにより通電加熱される。また、ガス導入口１４とガス
ヒータ１７との間には、ガスの温度を険出するガスｌム
度計２０がｇ２けられている。そして、このガス温度計
２０で検出されたガスｔム度は制御装置１８に供給され
るものとなっている。

一方、反応炉１１の外周部には、ウ工／＼１３を光照射
により加熱するランプ群２１が設置されている。ランプ
群２１は、制御装置１８からの制御指令により動作する
ランプ電源２２により通電発光される。また、ウェハ１
３の温度は赤外温度計２３により検出され、その検出温
度は制御装置ｌ８に供給されるものとなっている。

なお、図中２４は反応炉１１の開口端を塞ぐ炉蓋、２５
はランプ群２１を収容するランプ室外壁を示している。

このような構成において、半導体ウェハに酸化，窒化又
は拡散等のための熱処理を行うには、まずウェハ１３を
サセプタ１２上に支持し、反応炉１１内に挿入する。次
いで、上下のランプ群１９によりウェハ１３を加熱し、
ｌＯ秒程度で１０００℃以上に昇温する。そして、１０
秒〜数分程度、高温に保持して熱処理を行い、その後ラ
ンプ電源２２を切り、急速に降温する。

熱処理中は、ウェハ１３の温度を赤外温度計２０で測定
し、それが予め定めた温度パターンに従うように制御装
置１８によりランプ電源２２を制御する。ガス配管１６
から供給された熱処理の雰囲気ガスはガスヒータ１７を
経てガス導入口１４から反応炉１１内に導入され、ウェ
ハ１３の周囲を通過後、ガス排気口１５から排気される
。その際、ガス導入口１４の直前に設置したガス温度計
２０によりガス温度を測定し、ウェハ周囲のガス温度が
ウェハ１３の昇降温と同期して昇降温するよう制御装置
１８によリヒータ電源１９を制御する。

ここで、ウェハ外周部に結晶欠陥を発生させずに高温短
時間の熱処理を行うためには、ガス温度とウェハ温度と
の差が常に５００℃以内に保たれるように＃Ｊ御すれば
よい。そこで本実施例では、制御装置１８によりヒータ
電源１９及びランプ電源２２を制御することにより、第
２図に示す如くウェハ温度及びガス温度を制御している
。即ち、赤外温度計２３により測定された温度に基づき
ランプ電源２２を駆動し、ウェハ温度を約１０秒の間に
室温からｌ２００℃まで昇温し、その後約１分間この温
度を保持し、ランプ電源２２を切り降温する。また、赤
外温度計２３及びガス温度計２０によりそれぞれ測定さ
れた各温度に基づきヒータ電源１９を駆動し、導入ガス
の温度がウェハ温度に近付くように制御する。

実際には、ガスの昇温はウェハの昇温ほどには速くなら
ないので、ガスの初期温度を室温よりも　１００〜３０
０℃ほど高くしておくことにより、第２図に示すように
ウェハ温度とガス温度との差を常に５００℃以内に保持
することが可能である。

このように、ウェハ温度に応じてガス温度を昇降温させ
ることにより、ウェハと雰囲気ガスとの温度差を小さく
することができ、ウェハ周辺部においても半径方向の温
度勾配を緩くすることができる。従って、ウェハ外周部
に結晶欠陥を発生させることなく、高温短時間の熱処理
を行うことができる。また、高温ガスを反応炉内に流す
時間が短くなることから、反応炉自体の昇温を抑制する
ことができ、これにより降温時間の短縮化をはかること
も可能である。

なお、この実施例ではガス温度計２０はガス導入口１４
の直前に設置しているが、反応炉１１内のウェハ近傍に
設置することもできる。

さらに、反応炉１１の外壁或いはその近傍に冷却水を流
すことにより、ランプ加熱と高温の熱処理雰囲気ガスに
よる反応炉１１の昇温をより効果的に抑制し、熱処理の
短時間制御性を高めることも可能である。

第３図は本発明の他の実施例を示す概略構成図である。

なお、第１図と同一部分には同一符号を付して、その詳
しい説明は省略する。

この実施例が先に説明した実施例と異なる点は、ガス温
度の速やかな切り替えを行うために、複数のガス容器を
設けたことにある。即ち、先の実施例でのガスヒータ１
７の代わりに、３個のガス加熱保温容器３１，３２．３
３が設置されている。これらの容器３１〜３３は、ヒー
タ電源１９により通電加凸されるヒータをそれぞれ備え
ている。そして、各容４３１〜３３内のガスは、熱処狸
ロ，＋７のウェハ表面の最低４度から最高温度までの間
の異なる温度に加熱されている。

このような構成においては、ウェハ表面の温度変化に応
じてガス加熱保温容器３１〜３３を選択し、選択した容
器からのガス又は配管１６に供給されたガスを反応炉１
１内に導入する。

例えば、ウェハ１３を１１００℃まで加熱する場合には
、ガス加熱保温容器３１には１０００℃の、容器３２に
は７００℃の、容器３３には３００℃の熱処理雰囲気ガ
スを予め加熱保温しておく。そして、ウェハ表面温度が
室温と　１００℃の間にあるときはバルブ３７を開いて
室温のガスを、１００℃と５００℃の間にあるときはバ
ルブ３６を開いて３００℃のガスを、５００℃と９００
℃の間にあるときはバルブ３５を開いて７００℃のガス
を、９００℃と１１００℃の間にあるときはバルブ３４
を開いて１０００℃のガスを、ガス導入口１４から反応
炉１１内に導入する。また、これらの温度の間の所望の
温度にするには、複数の容器内のガスを混ぜて使用して
もよい。

この場合、ガス温度の切り替えを速やかに行うことがで
き、ガス温度とウェハ温度との差を常に２００℃以内に
保つことができる。従って、先の実施例と同様の効果が
得られるのは勿論のこと、ウェハ外周部での結晶欠陥の
発生をより確実に防止することができる。

なお、この実施例では、ガスマスフローメータを用い流
量比を調節して２種類のガスを混合することにより、Ｉ
ｆｆｉからｌ０００℃までの任意の温度のガスを反応炉
内１１に導入することもできる。また、第３図では３個
のガス加熱保温容器が設置されているが、２個或いは４
個以上設置する場合もあり得ることはいうまでもない。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、処理容器内に導入
するガスをウェハの温度に応じて昇降温することにより
、ウェハ外周部に結晶欠陥を発生させることなく、高温
短時間の熱処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例に係わるウェハ処理装置を示
す概略構成図、第２図は上記装置の作用を説明するため
のもので、ウェハ及びガスの温度変化を示す特性図、第
３図は本発明の他の実施例を示す概略構成図である。 １１・・・反応炉（処理容器）、 １３・・・半導体ウェハ、 １４・・・ガス導入口、 １５・・・ガス排気口、 ７・・・ガスヒー夕、 ８・・・制御装置、 ９・・・ヒータ電源、 Ｏ・・・ガス温度計、 １・・・ランプ群、 ２・・・ランプ電源、 ３・・・赤外温度計、 １〜３３・・・ガス加熱保温容器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体ウェハを収容した処理容器内に所定のガス
   を導入すると共に、ウェハの表面に光を照射して該ウェ
   ハを加熱処理するウェハ処理方法において、 前記容器内に導入するガスの温度を、熱処理中のウェハ
   の温度に応じて可変制御することを特徴とするウェハ処
   理方法。
2. （２）半導体ウェハを収容した処理容器と、この容器内
   に所定のガスを導入する手段と、前記ウェハの表面に光
   を照射して該ウェハを加熱する手段と、前記容器内に導
   入されるガスの温度を熱処理中のウェハの温度に応じて
   昇降温させる手段とを具備してなることを特徴とするウ
   ェハ処理装置。