JPS63160327A

JPS63160327A - ３―５族化合物半導体ウェハーのアニール方法

Info

Publication number: JPS63160327A
Application number: JP31044086A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Yamada; 豊山田; Seiichi Ishii; 清一石井
Original assignee: Mitsubishi Kasei Corp; Mitsubishi Monsanto Chemical Co; Mitsubishi Chemical Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1986-12-24
Filing date: 1986-12-24
Publication date: 1988-07-04
Anticipated expiration: 2010-06-21
Also published as: JPH0758699B2

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】〔産業上の利用分野〕本発明は放射温度計を使用して熱処理時の測温を行うよ
うにした半導体ウェハーのアニール装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

一般に、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等のｍ−ｖ化合物の単結晶は
キャリア易動度が大きいのでＳＨＦ帯の増幅、発振等に
用いられる電界効果トランジスタ、アナログＩＣ１さら
には電界効果トランジスタを用いた論理ゲート回路その
他高速デジタルＩＣ等の半導体装置の基板として広く用
いられている。

これらの装置の製造技術としては、エピタキシャル成長
技術、イオン注入技術等が採用されている。しかし、エ
ピタキシャル成長技術は生産性、半導体装置の歩留まり
等がイオン注入技術に比較して劣るので、最近はイオン
注入技術が採用されている場合が多い。

イオン注入技術では、半絶縁性ｍ−ｖ化合物単結晶基板
に導電性不純物イオンを注入した後、アニールにより注
入した不純物イオンを活性化して半導体装置を製造して
いるが、この熱処理は、一般に■族元素の蒸気圧が高く
、構成元素の解離が生じ易いため難しいとされている。

通常、熱処理法としては次の２通りの方法が用いられる
。

第１の方法はウェハー表面を耐熱性の高い絶縁膜で覆う
ことによりウェハーからの注入原子の外部拡散や構成元
素の解離を防ぐものである。これは、一般にキャップ法
と呼ばれて広く用いられているが、膜の物質やその形成
条件等でウェハー表面に与える影響が大きく再現性に乏
しい欠点がある。

第２の方法はキャンプレス法と呼ばれる方法で、解離し
やすい物質を含むガス中で熱処理を行い、解離を防ぐ方
法である。例えば、ＧａＡｓの場合はアルシン、ＩｎＰ
、ＧａＰならばホスフィン等がよく用いられている。注
入原子の外部拡散や構成元素の解離を防止するガスのア
ルシン、ホスフィンは毒性の非常に高いもので、取扱い
が難しく、設備が大がかりになる反面、ウェハーに与え
るダメージが少なく、膜をつけて剥がすという工程が減
らせるという大きなメリットがある。また、熱を加える
熱源としては抵抗体を用いたファーネス型とランプを用
いたランプ型があり、ファーネス型、ランプ型のどちら
にもキャップ法、キャップレス法が採用可能である。ラ
ンプ型はファーネス型に比べ発熱体自体の容量が小さい
こと、処理物に対して主に輻射光で加熱するため、昇温
、降温にかかる時間が少なくてすむ、熱処理時間として
は数秒から数十秒で熱処理が終了してしまう。この短時
間処理を活かすことによりイオン注入層の熱拡散による
プロファイルの乱れなしに活性化熱処理が可能となり、
大いに研究されまた利用されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、熱処理時の測温は非常に重要であり、一般に
は熱電対を用いる方法、処理物が発生する光を測定する
放射温度計による方法が使用されている。

放射温度計を利用する方法は、処理物に対して非接触で
あるため測温点での熱負荷がなく、熱容量の小さい処理
物に対して誤差を生じにくいこと、反応が速いこと等か
ら、ランプ型の熱処理装置の測温に用いられるとその特
徴が発揮される。

原理的にはキャップ法とキャップレス法、ファーネス型
炉とランプ型炉、測温法として熱電対と放射温度計を用
いる方法はそれぞれどの組合わせを行うことも可能であ
る。

しかしながら、膜形成の工程をなくすためにキャップレ
ス法を用い、熱拡散を防ぐためにランプ型炉を用い、ラ
ンプ型の特性を活かすための測温法である放射温度計を
用いることは難しい。これはウェハーからの解離を防ぐ
ために例えばアルシン、ホスフィン等のガスを用いた場
合、熱処理の際に分解したヒ素やリン等が放射温度計の
窓に付着し、光を遮って測温を妨げるためである。

これを防ぐ方法として、放射温度計の入光部にヒーター
を取り付けて加熱し、ヒ素やリン等の付着を防止する方
法がある。しかし、これは温度のバランスを崩すだけで
なく、炉心管と放射温度計をつなぐ部分のシール材が高
温になるためシールに不安が残り、このシールに支障を
きたすことばアルシン、ホスフィン等の有毒性から避け
なければならず、実際にこの組合せの適用は難しい。

本発明は上記問題点を解決するためのもので、放射温度
討入先部を加熱することなく、温度計付近に解離または
分解した物質が付着するのを防ぐことができ、放射温度
計により測温して熱処理を行うことの可能な半導体ウェ
ハーのアニール装置を提供することを口約とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明の半導体ウェハーのアニール装「は、
雰囲気ガス導入口とガス排出口、及び内部に収納された
ウェハーを加熱する加熱手段を有する半導体基板用熱処
理炉と、該熱処理炉から加熱手段の外側に延び、ガス導
入口を有する取りつけ管と、取りつけ管端部に設けられ
、取りつけ管を通して基板表面からの放射光が入射され
る放射温度計とを備え、前記取りつけ管のガス導入口か
ら熱処理炉内へガスを流入させるようにしたことを特徴
とする。

〔作用〕

本発明の半導体ウェハーのアニール装置は、半導体表面
から放射される光を検出することによりウェハー表面温
度を測定する放射温度計を熱処理炉加熱手段の外部に配
置し、放射温度計を取りつけた取りつけ管にガス導入口
を設け、このガス導入口より取りつけ管を通して熱処理
炉内へガスを流すことにより、放射温度計入光部を加熱
することなく取りつけ管の放射温度計付近に解離または
分解した物質が付着するのを防止し、その結果半導体基
板表面からの放射光が遮られることなく、放射温度計に
よる測温が可能となる。

〔実施例〕

以下、実施例を図面に基づき説明する。

「実施例１」第１図は本発明の一実施例を示し、■は熱処理炉、２は
雰囲気ガス、３はガス導入口、４は排出口、５はウェハ
ーホルダー、６はウェハー、７はトラップ、８はランプ
、９は取付管、１０は窓、１１はフィルター、１２は放
射温度針、１３は冷却器、１４は枝管、１５は端部壁、
１６．１７はフランジ、１８はシールである。

図において、熱処理炉１は、ガス導入口３から雰囲気ガ
ス２が導入される０周囲には熱源としてランプ８が設け
られている。ウェハー６は、熱処理炉の端部壁１５に固
定されたウェハーホルダー５に載置されて熱源の中央部
に置かれる。端部壁１５は、そのフランジ１６がシール
１８を介して熱処理炉のフランジ１７と突き合わせ嵌合
し、上部にはガス導入口３が設けられている。排出され
たガスはトラップ７を介して系外に排出される。

このトラップ７は排出ガス中に含まれる■族元素等の分
解した物質をトラップするためのものである。取りつけ
管９はウェハー６に対向した熱処理炉１の側面から延び
、その端部には窓１０、フィルター１１が設けられてい
る。フィルターＩＩは、例えば赤外線領域の所定波長の
光を透過させるためのもので、例えば干渉フィルターを
用いる。なお窓ｌＯとフィルター１１とは兼用してもよ
い。

フィルター１１を透過した光は、冷却器１３により、−
７０℃程度に冷却されている放射温度計１２により検出
される。また窓１０のすぐ下方には、取りつけ管９に枝
管１４が設けられてガス導入口を形成し、ここから熱処
理炉に対してガスを流入させるようになっている。

このような熱処理炉において、半導体基板からの構成元
素の解離を防止するために、解離し易い物質を含むガス
をガス導入口３から入れて雰囲気ガスとし、ランプ８に
より基板を加熱する。一方、枝管１４から不活性ガスを
熱処理炉に向けて流し込み、基板表面から放射される赤
外光を放射温度計で観察し、基板表面温度を測定する。

こうすることにより窓１０の部分を加熱せずに、熱処理
の際に分解した物質が窓に付着して光を遮るのを防止し
、測温することができる。

なお、ウェハー６はウェハーホルダー５の上に載せるよ
うにしたが、取りつけ管９に対向する部分に開口を有す
る、例えば石英製の炉心管を設け、この中にウェハー６
を入れるような構成としてもよい。また加熱手段として
は、ランプに限らず抵抗加熱、高周波加熱等信の加熱手
段を用いてもよい。

半導体基板としては、Ｖ族元素が解離しゃすいＧａＡｓ
の基板を用いた。この基板はＡｓ原子の解離が起こった
場合に観察しやすいようにウェハーの表裏の両面をミラ
ー状に研磨したものを用いた。

導入す、るガスはウェハーがＧａＡｓであるため、アル
シン（ＡｓＨａ）を用いた。ＧａＡＳウェハーの熱処理
は主にウェハー内に注入したイオンの活性化のためのも
のであるため、通常６００℃から１０００℃程度の温度
である。最高温度での保持時間はランプを熱源とした場
合４０秒程度、或いはそれ以下でもよく、抵抗加熱源等
の場合は５分から２０分程度である。最も高温で、最も
長時間の場合であっても、ＧａＡＳウェハーの解離を防
ぐためには熱処理の雰囲気ガスとして１００％のアルシ
ンを用いる必要はない。通常アルシンには水素、窒素、
アルゴン等の不活性なガスと混合して用いられ、体積比
で少なくとも０．０】％以上、好適には少なくとも０．
２％以上のアルシン濃度を必要とするが、本実施例では
水素でアルシンを０．４％に希釈した。

放射温度計を取り付けた管９のＡｓの付着防止のための
ガス導入口からは不活性ガスである水素、窒素、アルゴ
ン等を導入する必要があるが、本実施例では水素を用い
た。しかし、アルシンと混合したガスと同じである必要
はない。導入するガスの流量はマスフローコントローラ
で制御した。導入するガス流量は６０ｃｃ／分、２０ｃ
ｅ／分、５ｃｃ／分の３種で行った。

アニール温度は９００℃、最高温度保持時間３０秒間で
、炉心内部には表裏鏡面仕上げした３インチ直径のＧａ
Ａｓウェハーを置き、熱処理を行った。

３種のガス流量の場合においても放射温度計の窓ガラス
に、Ａｓの付着は肉眼で認められず、熱処理前と変わら
ない状態であった。また、６０ｃｃＺ分の流量において
もＧａＡｓ中からのＡｓの解離は認められなかった。

「実施例２」実施例１で用いた装置、ガス種において、ＧａＡｓウェ
ハーの熱処理を連続して３０回行った。

熱処理条件としては、温度９００℃、時間３０秒、Ａｓ
付着防止用ガス導入口からの水素流量は５ｃｃＺ分とし
た。３０回の連続熱処理を行った後も放射温度計の窓に
はＡｓ付着は認められなかった。

「実施例、３」ＧａＡｓウェハーの表面に１９Ｓｉ＋イオンを注入し、
その熱処理による活性化テストを行った。

加速エネルギーは１５０ＫｅＶ、注入量は２．５Ｘ　Ｉ
　Ｑ　”ｃｓ−”とし、１０７Ω口の比抵抗をもつ５枚
の３インチ直径のアンドープＧａＡｓウェハーを用いた
。この熱処理は実施例２の条件で行った。

熱処理後、ホール効果素子についてのホール測定により
、注入層の活性化したキャリア濃度を求めた。

その結果、活性化率＝（キャリア濃度／注大量）とした
場合、５枚の各ウェハーの平均活性化率は７８％±１％
で、はぼ均一であった。

「比較例１」実施例１で用いた装置を用いて、Ａｓ付着防止のための
ガス導入口より不活性なガスを流さずに熱処理を行った
。アニール温度は９００℃最高温度保持時間３０秒とし
た。

熱処理後のウェハーからのＡｓの解離は実施例１と同様
に認められなかった。しかし、放射温度計取付部および
放射温度計の窓にはＡｓの付着が認められた。

「比較例２」実施例２と同様のテストをＡｓ付着防止のためのガス導
入口より不活性ガスを流すことなく行った。熱処理を３
回行ったところでは、放射温度計の窓、及びその付近に
は金属光沢をしたＡｓの付着がはっきりと認められた。

また、５回以後は、放射温度計での測温が正確でなくな
り、チャンバーが異常加熱をした。これは、Ａｓの付着
により放射温度計に入射する光が減少し、チャンバー内
ウェハーの温度が上昇しているのにかかわらず、その温
度を検知できなかったからであると考えられる。

「比較例３」実施例３と同様のテストをＡｓ付着防止のためのガス導
入口より不活性ガスを流すことなく行った。

その結果、５枚の各ウェハーの平均活性化率は７８％〜
８５％まで変動した。

以上、・実施例と比較例に示すように、本発明による効
果は充分圧められた。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、放射温度計の入口部付近
を加熱せずに、放射温度計の取り付は管付近や入射光用
窓への付着物をなくすことができ、その結果放射温度計
による測温に支障をきたすことがなくなり、例えばキャ
ップレス法、ランプ型炉、放射温度計の組合せによる熱
処理等も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図である。１・・・熱処理炉、２・・・雰囲気ガス、３・・・ガス
導入口、４・・・排出口、５・・・ウニバーホルダー、
６・・・つエバー、７・・・トラップ、８・・・ランプ
、９・・・取付管、１０・・・窓、１１・・・フィルタ
ー、１２・・・放射温度計、１３・・・冷却器、１４・
・・枝管、１５・・・端部壁、１６．１７・・・フラン
ジ、１日・・・シール。出　願　人　　　三菱モンサント化成株式会社（外１名
）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）雰囲気ガス導入口とガス排出口、及び内部に収納
されたウェハーを加熱する加熱手段を有する半導体基板
用熱処理炉と、該熱処理炉から加熱手段の外側に延び、
ガス導入口を有する取りつけ管と、取りつけ管端部に設
けられ、取りつけ管を通して基板表面からの放射光が入
射される放射温度計とを備え、前記取りつけ管のガス導
入口から熱処理炉内へガスを流入させるようにしたこと
を特徴とする半導体ウェハーのアニール装置。
（２）前記放射温度計は、冷却手段により冷却される特
許請求の範囲第１項記載の半導体ウェハーのアニール装
置。