JPH1197448A - 熱処理装置とこれを用いた半導体結晶の熱処理法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体結晶ウエーハを急速に熱処理する装置に
おいて熱処理中の半導体結晶ウエーハの温度が正確に制
御でき、ウエーハの表面、裏面の温度差を制御して結晶
欠陥の発生のない熱処理装置を提供することを目的にし
ている。 【解決手段】半導体結晶ウエーハを短時間で熱処理する
主要構成部は急速加熱と急速冷却できる上部熱源と下部
熱源を狭間隔で配置した構造からなり、所望の熱処理温
度で間隔内の温度が均一な温度分布になる間隔Ｇを選定
する。半導体結晶ウエーハは両熱源の間隔Ｇ内に配置し
て熱処理する。 【効果】半導体結晶ウエーハの熱処理温度が高精度に制
御できるので、素子性能と再現性が向上する。急速熱処
理でのスリップラインの発生を抑制できるので、短時間
アニール工程を実用化できる。熱処理部の体積が小さい
ので装置が小型化できるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は試料の熱処理装置に
関し、とくに化合物半導体結晶ウエーハを熱処理する装
置と、これを用いて短時間の加熱で化合物半導体結晶ウ
エーハを熱処理する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料を熱処理する技術は特に半導体工業
で盛んに使われている。この中で半導体素子やＩＣの製
造プロセスには半導体結晶ウエーハを熱処理する工程が
多く使われ、熱処理が素子の性能を支配する重要技術の
一つになっている。この熱処理の主な用途は、半導体結
晶ウエーハに不純物イオンを注入しこれを活性化してキ
ャリヤとするアニール技術や、半導体結晶ウエーハに金
属電極を被着しオーミック接合を形成するアロイ技術な
どである。これらの熱処理は高精度の温度制御のもと
で、最適な熱処理条件で行う必要がある。従来技術では
図１０に示すように石英ガラス管１０２と巻線抵抗の熱
源１０３から構成された通常の電気炉で半導体結晶ウエ
ーハ１０１を熱処理している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の熱処理装置は大
面積にわたって均一な温度分布を得るために、装置が大
型化し、このため熱容量が大きくなって、急速加熱およ
び急速冷却の対応が出来ない欠点がある。従来装置で半
導体結晶ウエーハを熱処理すれば加熱時間が長くなり、
例えばアニール工程では半導体中に不純物が拡散しすぎ
てキャリヤプロファイルがなまり、素子性能を低下させ
る問題があった。短時間で熱処理を行う目的で従来の装
置は図１１に示すようにアークランプ１１２からでた熱
源１１５を反射鏡１１３を用いて半導体結晶ウエーハ１
１１の表面に照射して加熱する方式が検討されてきた。
この方式はウエーハ表面の温度計測が難しいので再現性
に問題があり、また、急速加熱と急速冷却が急峻すぎて
半導体結晶ウエーハ内にスリップラインの結晶欠陥が発
生しやすい欠点があった。

【０００４】本発明は半導体結晶ウエーハを最適な熱処
理条件で再現性よく熱処理する装置を提供することを目
的にしている。本発明が解決しようとする課題は、熱処
理中において、（１）半導体結晶ウエーハの温度を正確
に制御する構成にする、（２）半導体結晶ウエーハを急
速に加熱および冷却できる構成にする、（３）半導体結
晶ウエーハの表面と裏面の温度差を任意に制御できるよ
うにして結晶欠陥を抑制する構成にする、（４）装置を
小型化し、生産性の高い構成にすることである。本発明
では特に高温で変形および変質しやすい化合物半導体結
晶ウエーハとヘテロ接合半導体エピタキシャル結晶ウエ
ーハを良好に熱処理するために、最適の加熱部構造を提
供し、これを用いて小型の高性能な装置を構成して上記
試料を有効に熱処理する方法を提供することを目的にし
ている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】従来技術の課題を解決す
るための手段を以下に記す。本発明の基本とする半導体
結晶ウエーハを短時間で熱処理する主要構成部を図１に
示す。熱処理部は急速加熱および急速冷却ができやすい
ように上部熱源２と下部熱源３を狭間隔Ｇで対向させ、
半導体結晶ウエーハ１を両熱源の間隔内に配置して熱処
理する構造が主な特徴である。上記の目的は、熱容量が
小さい上部熱源および下部熱源をこれら熱源の大きさＤ
より十分に狭い間隔Ｇで対抗させる構造によって達成さ
れる。

【０００６】

【発明の実施の形態】

実施例１ 本発明による一実施例を図１〜図４により詳細に説明す
る。図１は本発明の基本とする熱処理部の構造で、図２
はこの詳細である。化合物半導体結晶ウエーハ２１を石
英ガラスやカーボン製の試料ホルダ２４に乗せ、上部熱
源２２と下部熱源２３を狭間隔Ｇで対向する構造の熱処
理部の中心にこれを配置する。半導体結晶ウエーハ２１
と試料ホルダ２４は自動搬送機構によって間隔Ｇ内の定
位置に搬入され、上下可動機構２７を有する石英ガラス
製ピン２６によって保持される。上部熱源２２と下部熱
源２３はどちらもＳｉＣ製薄膜ヒータで構成され、直径
約１５０ｍｍの面板で温度分布が均一になる構造に作ら
れる。上部熱源２２と下部熱源２３は石英ガラス管２５
によって固定され、この間隔Ｇは調整機構によって調整
が可能である。石英ガラス管２５内には熱電対２５−
１、２５−２、２５−３、２５−４があり、これによっ
て温度計測と温度制御をする。上部熱源２２と下部熱源
２３を同じ温度にして、両者の間隔Ｇを変えた場合の間
隔Ｇ内外の温度分布を図３に示す。間隔Ｇが離れすぎる
（Ｇ３）と温度分布は谷型に（ａ）、また間隔Ｇが狭す
ぎる（Ｇ１）と山型になり（ｃ）、この中間（Ｇ２）で
間隔Ｇ内が均一な温度分布になる（ｂ）。この最適間隔
範囲は図４に示すように設定温度によって変わる。試料
の熱処理温度が高くなると間隔Ｇを狭く調整する必要が
ある。直径約１５０ｍｍの大きさのヒータで、中心から
直径８０ｍｍの範囲で間隔Ｇ内の温度を８００℃±５℃
以内の均一な温度分布となる間隔Ｇは１０〜１８ｍｍの
範囲であった。このように平行に設置された上部熱源２
２と下部熱源２３の間隔Ｇは熱源の大きさに比べ十分に
狭間隔の構成である。図３（ｂ）からわかるように間隔
Ｇの内部では上下方向にも温度変化が少なく、熱処理の
試料は間隔Ｇ内のどの位置においてもよい。このことは
定常時の半導体結晶ウエーハの熱処理温度はヒーターの
間隔Ｇ内の温度と対応しており正確に計測できているこ
とを意味する。本発明の構成では試料の温度計測が不要
であり、また、ウエーハの表面と裏面の温度差が生じに
くいことがわかる。ウエーハは熱容量が小さいので間隔
Ｇ内の温度と追従性がよく、数分間の短時間熱処理で従
来の電気炉と同じアニール効果がえられることを確認し
た。なお、試料をあらかじめ間隔Ｇ内の温度を４００℃
に予備加熱してある中に保管し、ここから昇温するとよ
り急速加熱ができる。例えば８５０℃までの昇温時間は
１５秒と、予備加熱のない場合より約１／２短い結果が
えられた。直径７６ｍｍのＧａＡｓウエーハを熱処理し
た結果、スリップラインの発生は皆無であった。薄膜ヒ
ータ２２、２３の材質はＳｉＣ製のほかカーボン、高融
点金属などの選定が自由である。試料ホルダ２４も上記
記載の材料に限定されるものではない。この構成からな
る熱処理部はＧａＡｓに金属電極を被着し約４００℃で
オーミック接合を形成するアロイ工程に最適である。特
に０．１μｍ以下の浅いアロイ層の制御を必要とするＨ
ＢＴやＨＥＭＴの製造工程に有効であることを確認し
た。

【０００７】実施例２ 本発明による他の実施例を図５で詳細に説明する。熱処
理部ヒータの構成は実施例１で述べた内容と同一である
が、半導体結晶ウエーハ５１用試料ホルダ５４の構造が
異なる。カーボン製試料ホルダ５４は半導体結晶ウエー
ハ５１の置き台５４−１と蓋５４−２から構成される。
このような上蓋付き試料ホルダ５４はＧａＡｓやＩｎＰ
等の高温で蒸発しやすい元素をふくむ材料の熱処理に用
いられ、蒸発を抑制したり酸化等による表面の変質を防
ぐ効果がある。蓋５４−２によってウエーハ５１の面内
温度分布はさらに均一になる。試料ホルダ５４はウエー
ハ５１を包み覆う構造に限らず試料を上下で挟む構造で
あってもよい。例えばＧａＡｓやＩｎＰ板のような蓋を
ウエーハ上に重ねるだけでもよい。これによってＧａＡ
ｓやＩｎＰの結晶ウエーハではウエーハ表面からそれぞ
れＡｓやＰ抜けを抑圧する効果がある。

【０００８】実施例３ 本発明による別の実施例を図６で詳細に説明する。これ
は実施例１と対比して、熱処理ヒータ部の構成が異なる
例である。これは主に８００℃以上の高温用の熱処理部
に適した構造である。上部熱源と下部熱源を効果的に高
温に保持するために各ヒータ６２、６３の周りに石英ガ
ラス板６８、６８’とタンタル製熱反射板６９、６９’
を設けた構造が特徴である。図２のヒータだけの構造に
比べて熱容量が増えているが、高温での均熱性と保温性
がよくなり半導体結晶ウエーハ面内の温度分布と加熱効
率が改善される。上部熱源と下部熱源のいずれか一方の
みこの構造が付加されていてもよく、間隔Ｇの内部にも
均熱と保温を目的にした石英ガラスやアルミナ等の板を
配置させてもよい。また、ヒータ６２、６３の周りの材
料は上記の例に限定されるものではない。

【０００９】実施例４ 本発明による別の実施例を図７で詳細に説明する。これ
も高温で短時間アニールする目的に適した構造である。
実施例３で述べた内容と対比すると、上部熱源の構成が
異なる。光を吸収しやすいカーボン等の試料ホルダ７４
側にある下部熱源はヒータ７３と石英ガラス管７５、石
英ガラス板７８とタンタル製熱反射板７９からなり、半
導体結晶ウエーハ７１側の上部熱源はキセノンランプ７
２、アルミナ製板７６、ステンレス製熱反射板７７で構
成されている。ランプで短時間に高温まで上げ、温度管
理は石英ガラス管７５内の熱電対でおこなうため制御性
がよい。上部発熱源のほかの例として、ランプの光エネ
ルギを例えばＳｉ板などで吸収させ上部熱源とし、これ
らを狭間隔に配置してもよい。このように上部熱源と下
部熱源を近接して配置することを特徴とする本発明の主
旨からして、加熱部はヒータに限らずランプや高周波加
熱であってもよく、上部熱源と下部熱源の関係も上記記
載の位置に限定されるものではない。以上、実施例１か
ら実施例４までの例では、熱処理部は上部熱源と下部熱
源を狭間隔で水平に配置した構成例を示してきたが、本
発明の主旨からしてこの構造は垂直や斜めの配置であっ
てもよい。また、試料を試料ホルダに乗せて搬送する例
を述べたが、試料だけを搬送してもよく、また熱処理で
は試料ホルダを用いなくても同様の熱処理効果が得られ
たことを付言する。また、あらかじめ間隔内を熱処理温
度に加熱設定した後に、試料を搬送して、間隔内に短時
間保管し、これを搬出するシーケンスで熱処理してもよ
い。

【００１０】実施例５ 本発明による熱処理部を用いて構成した自動熱処理装置
の一実施例を図８で詳細に説明する。本装置は熱処理室
８３、試料搬送室８４と試料カセット８５の構成を基本
とする。真空系、ガス系および制御、電源系は図から省
略した。試料ホルダ上にセットされた試料８１は試料ホ
ルダごと搬送室８４のロボット８０によって熱処理室８
３の狭間隔内に運ばれる。試料の熱処理は熱処理室８３
を真空口８８から排気し、所定のガスを導入口８７から
流してから行われる。本発明では急速加熱と急速冷却の
効果を高めるため熱処理室内の熱処理部の周囲を覆い、
窒素などのガスを吹き付ける機構を付加することもでき
る。試料は試料ホルダなしに搬送してもよい。

【００１１】実施例６ 実施例５で述べた熱処理装置を使って本発明による化合
物半導体結晶ウエーハを熱処理する方法の一実施例を説
明する。図９は熱処理の温度シーケンスの一例である。
試料はＦＥＴ用ＧａＡｓ系エピタキシャル成長層を持つ
化合物半導体結晶ウエーハである。これに表面から高濃
度のＳｉイオンを打ち込み、活性化アニールする工程に
ついて詳細に説明する。エピタキシャル成長層の不純物
が熱処理で拡散しやすくなっているため、イオン打ち込
みのアニールは出来るだけ低温で短く行う必要がある。
本発明による熱処理装置では上部ヒータと下部ヒータの
表面温度を図９に示す温度シーケンスで制御する。以
下、これについて説明する。あらかじめウエーハは熱処
理部の狭間隔部内に置き、約４００℃の予備加熱温度
（Ｔｓ１＝Ｔｓ２）で保管する。この後、上部ヒータと
下部ヒータを加熱し、上部ヒータを７００℃、３分およ
び下部ヒータを６５０℃、３分、一定に保ち熱処理しす
ぐに冷却を開始する。半導体結晶ウエーハの表面、裏面
の温度差は５０℃のためスリップラインの発生を抑制で
き、下部ヒータの温度を下げたことにより、エピタキシ
ャル成長層内のＺｎ不純物の拡散を抑制することができ
た。

【００１２】

【発明の効果】

（１）狭間隔構造の熱処理部によって半導体結晶ウエー
ハの熱処理温度が正確に計測でき、熱処理が制御よく行
えるようになり、素子性能と再現性の向上に効果があ
る。 （２）狭間隔構造の熱処理部によって半導体結晶ウエー
ハの熱処理でスリップラインの発生を抑制できるように
なった。これによって短時間アニール工程を製造ライン
に実用化することができた。 （３）敏感な化合物半導体結晶ウエーハの熱処理に適用
できて表面反応を抑制し、素子性能の向上に効果があ
る。 （４）狭間隔構造の熱処理部の体積は従来のものに比べ
て小さいので装置が小型にできるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本とする熱処理部の主要構成図。

【図２】本発明の実施例１の熱処理部の側断面図。

【図３】本発明の実施例１の熱処理部内の温度分布と両
熱源間の距離の関係図。

【図４】本発明の実施例１の熱処理温度と最適熱源間隔
の関係図。

【図５】本発明の実施例２の熱処理部の側断面図。

【図６】本発明の実施例３の熱処理部の側断面図。

【図７】本発明の実施例４の熱処理部の側断面図。

【図８】本発明の実施例５の自動熱処理装置の構成図。

【図９】本発明の実施例６の熱処理法の温度シーケン
ス。

【図１０】従来の電気炉による熱処理部の主要構成図。

【図１１】従来のランプ加熱による熱処理部の主要構成
図。

【符号の説明】

１、２１、５１、６１、７１、８１、１０１…半導体結
晶ウエーハ ２、２２…上部熱源 ３、２３…下部熱源 ４、２４、５４、１０４、１１４…試料ホルダ ２２、２３、６２、６３、７３…ヒータ。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱処理装置において、急速加熱および急
   速冷却が可能な熱源を対向して配列し、この間隙内の任
   意の位置で試料を保管して熱処理することを特徴とする
   熱処理装置。
2. 【請求項２】 熱処理装置において、両熱源の間隙は各
   熱処理温度に関連して間隙内の温度差が±５℃以内にな
   るよう調節機構を有することを特徴とする請求項１記載
   の熱処理装置。
3. 【請求項３】 熱処理装置において、両熱源は抵抗加熱
   のヒータから構成されることを特徴とする請求項１〜２
   記載の熱処理装置。
4. 【請求項４】 熱処理装置において、熱源のどちらか一
   方が抵抗加熱のヒータで他方が抵抗加熱以外の加熱の熱
   源から構成されることを特徴とする請求項１〜２記載の
   熱処理装置。
5. 【請求項５】 熱処理装置において、試料を保管する試
   料ホルダーは、少なくとも試料の一面に接して熱処理に
   使われることを特徴とする請求項１〜４記載の試料の熱
   処理装置。
6. 【請求項６】 熱処理装置において、熱処理する試料は
   化合物半導体結晶ウエーハであることを特徴とする請求
   項１〜５記載の熱処理装置。
7. 【請求項７】 請求項１から請求項５記載のいずれかの
   装置を用いて試料を急速加熱、急速冷却で熱処理する工
   程において、該試料を熱源の間隔内部で所定の熱処理温
   度より低い温度で予め保管する工程と、続いて急速加熱
   して所定の熱処理温度に保管する工程と、次に急速冷却
   する工程とを含んだことを特徴とする試料の熱処理方
   法。
8. 【請求項８】 試料の熱処理方法において、該試料は同
   あるいは別材料の試料ホルダによって少なくとも試料の
   両面が包み覆われるが如く配置して熱処理する工程を含
   んだことを特徴とする請求項７記載の試料の熱処理方
   法。