JPH10172977A

JPH10172977A - 化合物半導体基板の熱処理方法及び熱処理装置

Info

Publication number: JPH10172977A
Application number: JP33118996A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Saito; 吉広斎藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】スリップラインの発生を防止する熱処理方法
及び装置を提供する。【解決手段】化合物半導体基板を加熱した後、Ｈｅ含
有ガスを処理チャンバに導入しながら冷却する。Ｈｅガ
スは熱伝導率が高いので、熱伝導による冷却が大きくな
り、基板の冷却に対する熱伝導の影響が大きくなる。熱
伝導による冷却は対流による冷却と異なり基板の周縁部
と中央部とで差を生じないので、対流の影響による基板
内温度差が緩和される。従ってスリップラインの発生が
減少される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体基板
の熱処理方法及び熱処理装置に関する。特に加熱後の冷
却工程を含む、熱処理方法及びその熱処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製造過程においては多種多
様な熱処理、すなわちアニールが用いられている。その
中で、イオン注入された化合物半導体基板のアニール等
の場合、酸化防止などの理由からＯ₂を含まない雰囲気
中で行う必要がある。このために基板を処理チャンバ内
に載置し、このチャンバ内にＯ₂を含まない特定ガスを
流入しながらアニールを行なう方法がとられている。こ
の特定ガスとしてはＮ₂ガスが低コストという面から選
択されている。

【０００３】この方法においては、まず、チャンバ内に
基板を複数枚、所定の間隔で平行に載置する。そしてチ
ャンバ内にＮ₂ガスを流し、チャンバごと加熱炉内に挿
入し、加熱する。このときの加熱時間及び温度は、注入
イオンを十分に活性化し、且つ過処理とならないように
決定されている。加熱後は、イオンの再分布を発生させ
てしまう過処理を防止するために、基板の冷却を迅速に
行なう必要がある。このため、基板を、加熱炉より処理
チャンバごと迅速に取り出す。そしてＮ₂ガスを流しな
がら基板の冷却を行なうという方法が取られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】基板の冷却は、主に、
雰囲気ガスの対流と雰囲気ガスの熱伝導によって行なわ
れる。従来の方法及び装置においては、対流による冷却
が基板全体の冷却に与える影響が大きかった。そして基
板の周縁部では雰囲気ガスであるＮ₂ガスの対流が大き
いため冷却される速度が速く、隣接する基板間の中央部
では、Ｎ₂ガスの対流が小さいため冷却速度が遅かっ
た。このため、この対流による冷却速度の差が、基板の
温度に影響し、周縁部と中央部の間でかなりの温度差を
生じていた。同一基板内で温度差があると、スリップラ
イン（転移欠陥）と呼ばれる格子欠陥を生じ易いことが
知られている。従来の方法及び装置では、上述した基板
内の温度差によって、この格子欠陥が多発し、歩留りが
低下してしまうという問題があった。このため、処理チ
ャンバ内の基板間の間隔を広げて、Ｎ₂ガスの流れを改
善することにより基板中央部の冷却速度を高め、温度差
を低下させる方法が取られることもあった。しかし、こ
の方法は、現チャンバを使用した場合にはスループット
を減少させ、またチャンバ容積を増大させた場合にも、
均熱長を確保するためのヒータ制御を複雑にするという
問題があった。

【０００５】本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので、本発明に係る発明は、基板間の間隔を広
げずに、冷却時における基板の周縁部と中央部の温度差
を低下させ、スリップラインの発生を防止する熱処理方
法及び熱処理装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明による方法は、処理チャンバ内に載置された
化合物半導体基板を特定ガス雰囲気中で加熱した後、特
定ガス雰囲気中で冷却する熱処理方法において、冷却時
の前記特定ガスとして、Ｈｅ含有ガスを用いる。

【０００７】ＨｅはＮ₂と比較し熱伝導が高いため、本
方法によると、熱伝導による冷却が冷却速度に与える影
響が増大する。熱伝導による冷却は対流による冷却と異
なり基板の周縁部と中央部とで差を生じにくいので、対
流の影響による基板内温度差が緩和される。従ってスリ
ップラインの発生が減少される。

【０００８】また、特に注入されたイオンを活性化する
ための熱処理方法では、過処理を防止するために迅速な
冷却が必要とされる。このため特定ガスはある程度の流
量が要求されるので、対流による基板内の温度差を生じ
やすい。このような理由から、注入されたイオンを活性
化するための熱処理方法では、本方法が特に有効に作用
する。

【０００９】また、上記課題を解決するために、本発明
による装置は、化合物半導体基板を載置することのでき
る処理チャンバと、前記化合物半導体基板を加熱する加
熱手段を有する、イオンを活性化を目的とした熱処理装
置において、冷却時に前記処理チャンバ内にＨｅ含有ガ
スを導入するＨｅ含有ガス導入手段を備える。

【００１０】本装置によると、イオンの活性化のため
に、化合物半導体基板が処理チャンバ内に載置され、加
熱され、Ｈｅ含有ガスが導入されて冷却される。そし
て、このＨｅ含有ガスの熱伝導率が高いので、熱伝導に
よる冷却速度が速くなり、基板の冷却に対する熱伝導の
影響が大きくなる。熱伝導による冷却は対流による冷却
と異なり基板の周縁部と中央部とで差を生じにくい。よ
って対流の影響による基板内温度差が緩和され、スリッ
プラインの発生が減少する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
好適な実施形態について詳細に説明する。尚、図面中、
同一又は相当部分には同一符号を付すこととする。

【００１２】図１は本発明の第１実施形態に係る熱処理
装置の加熱時の状態を示した概略図であり、加熱手段と
して電気炉を用いる炉アニールに本発明を適用した場合
である。

【００１３】図１において、ヒータを発熱源とする電気
炉１３の内部には、必要に応じてそこより取り出すこと
のできる石英製の処理チャンバ３が挿入されている。処
理チャンバ３は、頂部が略半球面の管形状をしており、
その頂部中央部はＨｅ含有ガスを導入する導入管４が結
合し、導入口９として開口した形になっている。導入管
４は管接合部材５を介して配管部材８へと連結されてい
る。更に配管部材８はバルブ７を経てＨｅ含有ガスボン
ベ６へと接続されている。このＨｅ含有ガスのＨｅ含有
量は、５０％以上が好ましく、更には７０％以上である
ことが好ましい。また、処理チャンバ３の内部には、導
入口９より導入されるＨｅ含有ガスを分散させるための
ガス分散部材１０、及び基板を保持するための基板保持
部材２が備えられている。このガス分散部材１０は、複
数の子穴を有した略半球面形状をしており、処理チャン
バ３の頂部半球面に沿ってその内側に配置されている。
また基板保持部材２は、蓋状部材１２を外したときに処
理チャンバ３の底部より出し入れすることができ、ま
た、必ずしもこの数に限定されるわけではないが、３点
で基板を保持する。更に、この基板保持部材２は、基板
を複数枚同時に一定間隔で略平行に保持できるようにな
っている。そして処理チャンバ３の底部には、着脱可能
であり、排気口１１を備える蓋状部材１２が取り付けら
れている。また、図１は、イオン注入された化合物半導
体基板１が、既にその基板保持部材２に載置されている
状態を示している。

【００１４】次に熱処理方法について説明する。図２
は、熱処理時の処理チャンバ３内の温度変化の一例を示
したグラフである。まず、加熱に先立ち、バルブ７が開
かれＨｅ含有ガスが処理チャンバ３内に導入される。導
入速度は、熱処理中に処理チャンバ３内が十分にＨｅ含
有ガスで充たされる程度の速さであることが必要である
が、速すぎる場合には処理チャンバ３内の温度分布が阻
害される要因となるため、予め設定された適当な速度で
行なわれる。処理チャンバ３内がＨｅ含有ガスで充たさ
れると、電気炉１３のヒータがオンされ、所定の熱処理
温度（図２の場合は８００゜）まで処理チャンバ３内の
温度は高められる。所定の加熱時間（図２の場合は約２
５分間）経過後に、化合物半導体基板１は、冷却を速め
るために処理チャンバ３ごと電気炉１３より引出され、
室温に置かれる。そしてＨｅ含有ガスが連続して流され
ている状態で冷却され、処理チャンバ３内の温度は図２
に示すように降下していく。

【００１５】図３は冷却時の、基板周辺部の温度と、基
板中央部と周辺部との温度差の関係を示したものであ
る。本方法によって得られる、温度と温度差の関係を熱
伝導率から予測した予測値に加え、比較のために雰囲気
ガスとしてＮ₂を用いた場合の実測値も記入してある。
また図中二点鎖線２６は、スリップ発生の臨界温度差を
示している。点線２１、破線２２は本方法における、基
板間隔がそれぞれ4.76ｍｍ、9.52ｍｍの場合の計算値を
示し、黒丸２３、白四角２４、白丸２５はＮ₂ガス雰囲
気における、基板間隔がそれぞれ4.76ｍｍ、9.52ｍｍ、
14.28ｍｍの場合の実測値を示している。

【００１６】まず、図３を用いて、基板面内の温度差と
スリップ発生の関係の因果関係を検証するために、Ｎ₂
ガス雰囲気における実験結果について説明する。黒丸２
３の実測値を示した基板は、実測された４点とも基板面
内温度差が臨界温度差より大きいので、理論上スリップ
が発生することになり、実際においてもスリップが多発
していた。白四角２４の実測値を示した基板は、実測さ
れた４点のうち、３点において基板面内温度差が臨界温
度差より大きいが、黒丸２３の場合ほどの差はない。こ
の場合もスリップは発生していたが黒丸２３の場合に比
べ少なかった。白丸２５の実測値を示した基板は、実測
された４点とも基板面内温度差が臨界温度差より小さ
く、スリップも発生しなかった。上記結果より、図３
中、基板周辺部の各温度における基板中央部と周辺部の
温度差が、臨界温度差を示す二点鎖線２６より下の領域
３０にある場合スリップは発生しないことが検証され
た。

【００１７】次に、上記結果をふまえて本方法の効果に
ついて述べる。Ｈｅガスの熱伝導率は、図４に示すよう
Ｎ₂の約５．８倍ある。このため、熱伝導による冷却が
対流によるものよりも支配的になり、点線２１に示す基
板間隔が9.52ｍｍの場合のみならず、破線２２に示す基
板間隔が4.76ｍｍの場合においても基板内温度差が臨界
温度差より小さく、領域３０内にある。よって、基板内
温度差に起因するスリップの発生が防止されることにな
る。

【００１８】図５は、本発明の第２実施形態に係る熱処
理装置の処理チャンバの概略図である。処理チャンバが
横型形状をしているが、他の部分は第１実施形態におけ
る熱処理装置と重複するので、重複する部分の説明は省
略する。処理チャンバ３は一端が閉じられた略円筒形状
で、図中矢印ｙ方向を垂直方向、ｘ方向を水平方向とす
ると、長手方向を水平として配置されている。また、閉
じられた一端には導入口９を備える。更に、処理チャン
バ３内には、基板保持部材２を有し、その上には化合物
半導体基板１が水平方向に略平行にほぼ一定の間隔で載
置されている。そして、処理チャンバ３の円筒内壁の上
部内側には、ガス分散部材１０が備えられている。

【００１９】熱処理方法も第１実施形態とほぼ同様に行
なわれる。本実施形態における熱処理装置は、スペース
等の関係で第１実施形態に示した縦型形状の装置が設置
できない場合などに効果がある。

【００２０】図６は、本発明をランプアニールに用いた
場合の、第３実施形態に係る熱処理装置の加熱時の状態
を示した概略図である。処理チャンバ３は透明な石英製
の筺体であり、底面内側には、化合物半導体基板１が載
置されるように少なくとも３本の載置ピン１０２が配置
してある。処理チャンバ３の一側面にはＨｅ含有ガスの
導入口９が備えられ、ここよりＨｅ含有ガスが導入され
るが、導入口９に至る導入手段に関しては、第１実施形
態と同様であるのでここでは説明を省略する。また、処
理チャンバ３内部の導入口９の内側には、ガス分散部材
１１０が備えられ、導入口９を有する面の対抗面にはＨ
ｅ含有ガス排気口１１が備えられている。更に処理チャ
ンバ３外側の上部及び下部には、それぞれ複数の円筒形
状のタングステン又はハロゲン等のランプ１１３が平行
に配置されている。

【００２１】次に、熱処理方法について説明する。ま
ず、基板１が処理チャンバ３内に載置されると、加熱に
先立ちバルブ７が開かれ、Ｈｅ含有ガスが処理チャンバ
３に導入される。処理チャンバ３内がＨｅ含有ガスで充
たされた後、基板１の表裏から同時にランプ１１３によ
って赤外線を照射し、基板に吸収させ加熱する。その
後、ランプ１１３への電力を遮断し、冷却する。

【００２２】ランプアニールでの基板の冷却は第１実施
形態と同様に雰囲気ガスの対流と、熱伝導によって行な
われるが、冷却を急速に行なうため雰囲気ガス流量を増
加している。このため、炉アニール以上に温度均一性の
制御が難しく、スリップラインの発生は従来不可避とさ
れてきた。しかし、熱伝導による冷却は基板全体で均一
であるので、本発明によると、熱伝導の影響が大きくな
る。このため、ランプアニールにおいても基板内の温度
差を減少させ、スリップライン発生を抑制することが可
能となる。

【００２３】図７は、本発明をランプアニールに用いた
場合の、第４実施形態に係る熱処理装置を示したもので
ある。導入口９、ガス分散部材１１０及び排気口１１の
位置が異なる以外、他の基本構成は第３実施形態と同様
であるので同様部分の説明は省略する。導入口９は処理
チャンバ３の上面中央部及び底面中央部に備えられてお
り、排気口１１は、側面に備えられている。また、メッ
シュ等のガス分散部材１１０を、処理チャンバ３上面と
基板の間及び底面と基板の間の２ヵ所に備えてもよい。
本実施形態の場合、冷却速度を一層高めることができ
る。

【００２４】以上、本発明の好適な実施形態について詳
細に説明したが、本発明は上記実施形態に限られるもの
ではない。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る方法によれ
ば、Ｈｅ含有ガスを雰囲気ガスとして用いるので、Ｈｅ
の高い熱伝導性により、熱伝導による冷却が冷却速度に
与える影響が増大する。熱伝導による冷却は対流による
冷却と異なり基板の周縁部と中央部とで差を生じにくい
ので、対流の影響による基板内温度差が緩和される。従
ってスリップラインの発生が減少されるという効果があ
る。

【００２６】特に、注入されたイオンを活性化するため
の熱処理方法では、迅速な冷却が必要とされ、特定ガス
を流しながら冷却するので対流による冷却速度への影響
が大きいという理由から、本方法が有効である。

【００２７】また、本発明に係る装置によると、化合物
半導体基板は処理チャンバ内に載置され、加熱される。
その後冷却されるが、処理チャンバ内には導入手段によ
ってＨｅ含有ガスが導入され、このガス中で冷却され
る。よって熱伝導による冷却が冷却速度に与える影響が
増大する。熱伝導による冷却は対流による冷却と異なり
基板の周縁部と中央部とで差を生じにくいので、対流の
影響による基板内温度差が緩和される。従ってスリップ
ラインの発生が減少されるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る熱処理装置の、加
熱時の状態を示した概略図である。

【図２】熱処理時の処理チャンバ内の温度変化の一例を
示したグラフである。

【図３】冷却時の、基板周辺部の温度と、基板中央部と
周辺部との温度差の関係を示したグラフである。

【図４】Ｈｅ及びＮ２ガスの熱伝導率を示したグラフで
ある。

【図５】本発明の第２実施形態に係る熱処理装置の処理
チャンバの概略図である。

【図６】本発明をランプアニールに用いた場合の、第３
実施形態に係る熱処理装置の加熱時の状態を示した概略
図である。

【図７】本発明をランプアニールに用いた場合の、第４
実施形態に係る熱処理装置を示した図である。

【符号の説明】

１…化合物半導体基板１、２…基板保持部材２、３…処
理チャンバ、４…導入管４、５…管接合部材、６…ガス
ボンベ、７…バルブ、８…配管部材、９…導入口、１０
…ガス分散部材、１１…排気口、１２…蓋状部材、１３
…電気炉、２１…点線、２２…破線、２３…黒丸、２４
…白四角、２５…白丸、２６…二点鎖線、３０…領域、
１０２…載置ピン、１１０…ガス分散部材、１１３…ラ
ンプ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理チャンバ内に載置された化合物半導
体基板を加熱した後、特定ガス雰囲気中で冷却する熱処
理方法であって、前記特定ガスとして、Ｈｅ含有ガスを
用いることを特徴とする化合物半導体基板の熱処理方
法。
【請求項２】前記熱処理方法が注入されたイオンを活
性化するためのものであることを特徴とする請求項１に
記載の化合物半導体基板の熱処理方法。
【請求項３】化合物半導体基板を載置することのでき
る処理チャンバと、前記化合物半導体基板を加熱する加
熱手段とを有する、イオン活性化のための熱処理装置で
あって、冷却時に前記処理チャンバ内にＨｅ含有ガスを
導入するＨｅ含有ガス導入手段を備えたことを特徴とす
る化合物半導体基板の熱処理装置。