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JP4481528B2 - Semiconductor manufacturing apparatus and semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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JP4481528B2 - Semiconductor manufacturing apparatus and semiconductor device manufacturing method - Google Patents

Semiconductor manufacturing apparatus and semiconductor device manufacturing method

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハの枚葉式熱処理装置などの半導体製造装置に関し、とくにコールドウオール式のランプアニール装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体基板にMOSトランジスタなどの半導体素子を作り込む場合、ソース/ドレイン領域を形成するには不純物をイオン注入し、これを熱処理して熱拡散する方法が多く採用されてきた。この時に使用される熱処理装置は、通常ランプアニール装置が一般的である。
【0003】
図11は、従来のランプアニール装置の概略断面図である。処理室101にシリコンなどの半導体ウェーハ(以下、ウェーハという)102を搬送した状態で加熱源103によりウェーハ102を加熱する。加熱源103は、タングステンフィラメントからなるハロゲンランプ等を複数個配置し、ランプを挟んで処理室と反対側に光を反射する反射板を配置したものなどが用いられる。処理室101の壁にはガス配管108が取り付けられ、このガス配管108により矢印104で示した方向から窒素ガスが室温で通常5l(リットル)/min〜10l/min程度の流量で供給される。また、処理室101の壁にはガス配管105が取り付けられ、このガス配管105により矢印109で示した方向(室外)へ室内のガスが排出される。処理室101にはウェーハ支持体107が設置されており、その表面には支持ピン106が植設されている。支持ピン106の上にはウェーハ102が載置されている。このような状態で処理室101内は、加熱源103により加熱される。そして、ウェーハ102にイオン注入された不純物が熱拡散されてウェーハ102に不純物拡散領域が形成される。
【0004】
このように、加熱源103に用いられるランプアニ−ル装置は、シリコンウエーハ(以下ウエーハ)中に導入された不純物を拡散させる工程などに用いられてきた。この場合の処理は、例えば、処理室にウエーハを搬送した後、室温のN2 ガスなどを導入しながらランプを発光させウエーハ温度を400℃〜1100℃程度に加熱し一定時間(10秒〜60秒間程度)保持した後、ランプを消灯し、ウエーハが低温に放冷されるまで待機し、ウエーハを処理室から取り出という条件で行われる。処理室内に供給されるガスは、すべて室温で処理室に導入され処理室に入る前に温度調節が行われることはない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところでウエーハ中の不純物を拡散させる工程では、拡散長を任意に調整できることが重要である。とくにデバイスの微細化に伴い拡散長を小さく制御することが必要とされている。拡散長は、熱処理温度及び熱処理時間に対応しており、拡散長を短くするためには熱処理温度を下げるか時間を短くすることが必要である。但し熱処理温度はある程度の温度まで上げないと不純物が活性化せず基板の抵抗が大きくなってしまうため、温度を下げるには限界がある。不純物がホウ素(B)や砒素(As)の場合、約1000℃程度までは上げる必要がある。処理時間は設定した温度で保持している時間を短くできるが0秒近くまで短縮するとそれ以上短縮できない。そこで、さらに拡散長を抑制する方法として、ウェーハを加熱する速度(昇温速度)及びウェーハを冷却する速度(降温速度)を速くしてウェーハが高温となっている時間を極力短くする方法が検討されている。昇温速度はランプに大電力を投入することにより250℃/sec程度まで高速化することが可能となっている。
【0006】
しかし、降温速度は、一般的な常温のN2 ガスによる空冷では70〜80℃/sec程度、熱交換効率のよいヘリウムガスを処理室に導入しても90℃/sec程度までしか高速化が進んでいない。これは昇温速度の半分以下である。昇温速度だけを速くしても降温速度が遅いと、結局不純物は降温の過程で拡散してしまい、昇温速度を高速化した効果は発揮できない。その結果、拡散長を小さく制御することは実現できないという問題があった。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、半導体装置における不純物拡散領の熱拡散などを迅速的確に行うために、ランプアニール装置の高速昇降温を実現する半導体製造装置及びこの半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法を提供する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ランプアニール装置において、高速昇降温を実現するため処理室に導入する雰囲気ガスの温度調節を行い、且つ降温過程において冷却したガスをチャンバーに導入できるようにすることを特徴としている。また、本発明は、降温ステップに入った時点でランプからの輻射光を完全に遮断するため、遮蔽物をウェーハとランプの間に挿入できるようにすることを特徴としている。ガス温度の切り替えや遮蔽物の挿入のタイミングは、ウェーハ温度を計測して温度データをフィードバックすることにより最適な時期を設定できるようにする。これにより高速でウェーハを昇降温させることが可能となり、不純物の拡散を小さく抑制した熱処理を行うことが可能となる。
すなわち、本発明の半導体製造装置は、被処理基板を収納する処理室と、前記処理室に導入される冷却に用いる気体の温度を常温より低い温度に調節する手段と、前記処理室に取り付けられ、この処理室内部に前記常温より低い温度の気体を導入する配管と、前記処理室に対向配置されたランプからなる加熱源とを具備し、前記被処理基板が前記加熱源によって所定の設定温度に到達すると同時に、前記常温より低い温度の気体を前記被処理基板に到達させて、前記被処理基板の冷却が開始されるようにすることを特徴としている。
【0008】
前記加熱源から放射される光を遮断する遮光部材をさらに具備するようにしても良い。前記加熱源から放射される光を遮断する遮光部材は、前記加熱源と前記処理室に収納された被処理基板との間を移動することにより前記加熱源から放射される光を透過あるいは遮断させるようにしても良い。前記加熱源から放射される光を遮断する遮光部材は、前記加熱源から放射される光を遮断する位置にない場合には冷却されているようにしても良い。前記加熱源から放射される光を遮断する遮光部材は、前記処理室に収納された被処理基板の基板温度に応じて移動させるようにしても良い。前記処理室には計測器が設置されており、この計測器は、前記被処理基板の基板温度を計測するようにしても良い。前記処理室に取り付けられた前記配管には、複数の分岐配管が取り付けられ、これらの分岐配管は、前記配管を介して、すべて同じ気体を前記処理室に供給し、且つこの気体の温度は、分岐配管ごとに異なるようにしても良い。前記複数の分岐配管は、0℃以下もしくは20℃以下の気体温度を有する分岐配管を有しているようにしても良い。前記処理室に導入されるガスは、前記複数の分岐配管のいずれかから供給され、このガスを供給する分岐配管は、前記被処理基板の基板温度に応じて選択されるようにしても良い。前記配管には、前記処理室の外側に前記気体が接触するように、少なくとも1つの第2の分岐配管が分岐されているようにしても良い。
【0009】
本発明の半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体基板主面の素子領域にゲート絶縁膜及びゲート電極を順次形成する工程と、前記ゲート電極をマスクにして、前記半導体基板主面に第2導電型不純物をイオン注入する工程と、前記半導体基板を熱処理して、前記イオン注入された不純物を拡散させてソース/ドレイン領域を形成する工程とを具備し、前記熱処理工程は、上記の半導体製造装置のいずれかの内で行われることを特徴としている。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
まず、図1乃至図3を参照して第1の実施例を説明する。
図1は、ランプアニール装置の概略断面図、図2は、本発明及び従来の半導体製造装置を用いた場合のウェーハ温度の経時変化を示す特性図、図3は、本発明及び従来の半導体製造装置を用いた場合のウェーハ中における不純物の深さ分布を示す特性図である。処理室1の内部にシリコンなどのウェーハ2を搬送した状態で、加熱源3によりウェーハ2を加熱する。加熱源3は、タングステンフィラメントからなるハロゲンランプ等を複数個配置し、ランプを挟んで処理室1と反対側に光を反射する反射板を配置したものなどが用いられる。ガスを処理室1に供給する処理室1の壁に取り付けられた配管4は、複数の分岐配管13、14に接続されている。この分岐配管13、14からガス配管4を通して矢印7で示した方向より窒素ガスが室温で通常5l(リットル)/min〜10l/min程度の流量で処理室1の内部に供給される。そして、処理室1の壁に取り付けられたガス配管8により矢印9で示した方向(室外)へ室内のガスが排出される。処理室1にはウェーハ支持体10が設置されており、その表面には支持ピン12が植設されている。
【0011】
支持ピン12の上にはウェーハ2が載置されている。このような状態で処理室1内は、加熱源3により加熱される。そして、ウェーハ2にイオン注入された不純物が熱拡散されて、ウェーハ2にソース/ドレイン領域などの不純物拡散領域が形成される。
分岐配管13、14は、それぞれ熱交換器5の中を通っており、ここでガスの温度調節が行われる。すなわち、同一のガスが2個以上の経路で処理室1の内部に供給されるようになっており、各経路に熱交換器5が付いているのでそれぞれの経路毎に温度調整を行うことが可能となっている。処理室1に導入する経路の選択は、ガス配管4と分岐配管13、14との分岐点に取り付けられた切り換えバルブ6により行われる。切り換えバルブ6の操作は、予め設定した制御プログラムにしたがって自動的に行われる。窒素ガスの温度設定は、例えば、2個の経路13、14の内1個が25℃、他の1個が10℃に設定されている。ウェーハ温度は、処理室1の下部のウェーハ支持体10に配置された光学式温度計測器11により計測される。温度計測方法は、接触式の温度測定器でも良い。
【0012】
1000℃で保持時間0秒でのアニール処理は、以下の順で行われる。ここで0秒のアニールとはウェーハ温度が1000℃に達すると同時に降温過程に入る事を意味している。加熱源3に電力を投入してウェーハ温度を昇温し、ウェーハ温度600℃から1000℃まで昇温速度200℃/secで昇温する。昇温を開始した時、窒素ガス温度は、例えば、10℃の経路(例えば、分岐配線14)を選択する。この状態でウェーハ温度計測器11による計測温度が1000℃に到達する直前のやや低い温度で切り換えバルブ6が動作を開始するように設定しておくことにより、実際に10℃設定の窒素ガスが処理室1に入りウェーハ2に到達する時、保持時間が終了し、降温過程に達しているようにすることが可能となる。切り換えバルブ6の動作開始の時間指定は、導入するガス流量や昇温速度により変更することで、ウェーハ処理が降温過程に入った時間と、低温の窒素ガスがウェーハ2に達する時間をほぼ合わせることが可能となる。降温過程では20l/min以上の大流量のガスを導入しウェーハ1の冷却効果を高めることが望ましい。
【0013】
図2は、ウェーハ温度の経時変化を説明する特性図であり、縦軸がウェーハ温度(℃)を表し、横軸が熱処理時間(秒)を表している。図は、本発明の半導体製造装置を用いた場合のウェーハ温度の経時変化を表す特性線Aと、従来の半導体製造装置を用いた場合のウェーハ温度の経時変化を表す特性線Bを示したものである。点線で示される特性線Cは、熱処理に必要な所望のウェーハ温度を示している。従来例では1000℃に達した後もウェーハ温度は上昇し降温過程に入るのが遅れている(特性線B)が、これはランプには熱容量があるため加熱源からの輻射熱が停止するには時間がかかり、その間ウェーハ温度が上昇するためである。これに対して、本発明の半導体製造装置である図1に示すランプアニール装置を用いた場合、降温過程に入る時間に処理室内に冷却したガスが導入されるようになっているので、ランプからの輻射熱が残留していてもガスによる空冷効果が加わっているのでウェーハ温度の上昇が抑制される。その結果、ウェーハ温度の設定温度に対する超過上昇(以下オーバーシュート)が従来例よりも抑制されている(特性線A)。また降温過程では温度低下が急峻であり従来例よりも降温速度が速くなっていることが分かる。この場合降温速度は、最大で100℃/秒以上となっている。
【0014】
図3は、ウェーハ中の不純物の深さ分布を示す特性図であり、縦軸がウェーハ中の拡散領域の不純物濃度(/cm3 )を表し、横軸がウェーハ表面からの基板深さを表している。図は、本発明の半導体製造装置を用いた場合におけるウェーハのアニール後の不純物濃度の深さプロファイルを示す特性線Dと、従来の半導体製造装置を用いた場合におけるウェーハのアニール後の不純物濃度の深さプロファイルを示す特性線E及びアニール前のウェーハの不純物濃度の深さプロファイルを示す特性線Fを表している。シリコン単結晶からなるウェーハの(100)面に不純物として2弗化ホウ素イオン(BF2 )をイオン注入装置を用いて加速エネルギー1keV、ドーズ量1E15cm-2、注入角度0℃で注入した後、1000℃、0秒の条件でアニールを行い、その後ウェーハ中のホウ素の濃度を2次イオン質量分析器により分析した結果である。この実施例ではウェーハ中の不純物の拡散が従来例に比べて抑制されていることが分かる。これはオーバーシュート抑制と降温速度高速化の効果によるものである。
この実施例によれば、ランプアニール装置の高速昇降温が実現した結果、半導体基板に形成される不純物拡散領域の熱拡散などを迅速的確に行うことが可能になる。
【0015】
次に、図4乃至図8を参照して第2の実施例を説明する。
図4は、ランプアニール装置の概略断面図、図5は、本発明及び従来の半導体製造装置を用いた場合のウェーハ温度の経時変化を示す特性図、図6は、本発明及び従来の半導体製造装置を用いた場合のウェーハ中における不純物の深さ分布を示す特性図、図7は、シャッター部分を説明する断面図、図8は、シャッター部分を説明する平面図である。処理室21の内部にシリコンなどのウェーハ22を搬送した状態で、加熱源23によりウェーハ22を加熱する。加熱源23は、タングステンフィラメントからなるハロゲンランプ等を複数個配置し、ランプを挟んで処理室21と反対側に光を反射する反射板を配置したものなどが用いられる。ガスを処理室21に供給するこの処理室の壁に取り付けられた配管24は、複数の分岐配管33、34に接続されている。この分岐配管33、34からガス配管24を通して矢印27で示した方向より窒素ガスが室温で通常5l(リットル)/min〜10l/min程度の流量で処理室21の内部に供給される。そして、処理室21の壁に取り付けられたガス配管28により矢印29で示した方向(室外)へ室内のガスが排出される。処理室21にはウェーハ支持体20が設置されており、その表面には支持ピン32が植設されている。支持ピン32の上にはウェーハ22が載置されている。
【0016】
また、ガス配管24には複数の第2の分岐配管36が分岐しており、これらの先端からガスが処理室21の上面及び下面に沿って流れるように構成されている。さらに、加熱源23と処理室21との間には加熱源からの光を遮断する遮光部材(以下、シャッターという)35が挿入されている。シャッター35は、通常は処理室外に設置されており、可働式であって加熱源の光を遮らないようにその外側に配置したガイドレール(図示しない)上にシャッター35を載せ、高圧空気で高速に駆動するアーム(図示しない)により降温時に外から前記加熱源と処理室との間に挿入されるように構成されている。
このような状態で処理室21内は、加熱源23により加熱される。そして、ウェーハ22にイオン注入された不純物が熱拡散されて、ウェーハ22にソース/ドレイン領域などの不純物拡散領域が形成される。
【0017】
分岐配管33、34は、それぞれ熱交換器25の中を通っており、ここでガスの温度調節が行われる。すなわち、同一のガスが2個以上の経路で処理室21の内部に供給されるようになっており、各経路に熱交換器25が付いているのでそれぞれの経路毎に温度調整を行うことが可能となっている。処理室21に導入する経路の選択は、ガス配管24と分岐配管33、34との分岐点に取り付けられた切り換えバルブ26により行われる。切り換えバルブ26の操作は、予め設定した制御プログラムにしたがって自動的に行われる。窒素ガスの温度設定は、例えば、2個の経路(分岐配管)33、34の内1個が25℃、他の1個が10℃に設定されている。ウェーハ温度は、処理室21の下部のウェーハ支持体20に配置された光学式温度計測器31により計測される。温度計測方法は、接触式の温度測定器でも良い。
【0018】
図4のランプアニール装置による1000℃、保持時間0秒の条件でのアニール処理は、以下の順で行われる。同時にランプ出力もカットされる。加熱源23に電力を投入してウェーハ温度を昇温し、ウェーハ温度600℃から1000℃まで昇温速度200℃/secで昇温する。昇温を開始した時窒素ガス温度は、例えば、10℃の経路(例えば、分岐配線34)を選択する。この状態でウェーハ温度計測器31による計測温度が1000℃に到達する直前のやや低い温度で切り換えバルブ26が動作を開始するように設定しておくことにより、実際に10℃設定の窒素ガスが処理室21に入りウェーハ22に到達する時、保持時間が終了し、降温過程に達しているようにすることが可能となる。切り換えバルブ26の動作開始の時間指定は、導入するガス流量や昇温速度により変更することでウェーハ処理が降温過程に入った時間と、低温の窒素ガスがウェーハ22に達する時間をほぼ合わせることが可能となる。
【0019】
降温時には、ウェーハ温度が1000℃に達すると同時にシャッター35が挿入され加熱源23からの輻射熱を遮断する。同時に加熱源23のランプ出力もカットされる。シャッター材にはメタル、セラミックなどの熱容量が大きく、熱ストレスに強い材質を用いることが望ましい。シャッターは、例えば、熱伝導性が良い基材としてステンレスを用い、ウェーハ側にカーボンを塗布し、加熱源側に金箔などを張り付けるように構成することができる。このように、基材表面に表面層を形成することは基材の変質を防ぐ目的もあるが、加熱源側を反射率の大きい表面にし、ウェーハ側を反射率の小さい表面にしてシャッター効果を向上させるという目的もある。したがって、加熱源側には、Au、AlやPtなどの貴金属をコートし、ウェーハ側には、炭素(C)や黒色SiCなどの層を形成することができる。
【0020】
次に、図7及び図8を参照して、前述したシャッターとは異なる構造を説明する。図7のシャッターは、加熱源と処理室との間に加熱源からの光を遮断する2枚の可働式シャッター37、38が挿入されているように構成されている。シャッター37、38は、2枚で加熱源を完全に覆うようになっている。シャッター37、38は、通常処理室外に設置されており、加熱源の光を遮らないようにその外側に配置したガイドレール上にこれらシャッターを載せ、高圧空気で高速に駆動するアームにより降温時に外から前記加熱源と処理室との間に挿入されるように構成されている。図8のシャッターは、加熱源と処理室との間に加熱源からの光を遮断する、例えば、4枚の可働式シャッター39〜42が挿入されているように構成されている。シャッター39〜42は、4枚で加熱源を完全に覆うようになっている。シャッター39〜42は、通常処理室外に設置されており、加熱源の光を遮らないようにその外側に配置した支点43上にこれらシャッターの各一点を固定し、これらを支点43で高速に駆動させることにより、降温時に外から前記加熱源と処理室との間に挿入されるように構成されている。図7及び図8のシャッターは、走行距離が短いので遮断速度が第2の実施例より格段に速くなる。
【0021】
図5は、ウェーハ温度の経時変化を説明する特性図であり、縦軸がウェーハ温度(℃)を表し、横軸が熱処理時間(秒)を表している。図は、本発明の半導体製造装置を用いた場合のウェーハ温度の経時変化を表す特性線Aと、従来の半導体製造装置を用いた場合のウェーハ温度の経時変化を表す特性線Bを示したものである。点線で示される特性線Cは、熱処理に必要な所望のウェーハ温度を示している。従来例では1000℃に達した後もウェーハ温度は上昇し降温過程に入るのが遅れている(特性線B)が、これはランプには熱容量があるため加熱源からの輻射熱が停止するには時間がかかり、その間ウェーハ温度が上昇するためである。これに対して、本発明の半導体製造装置である図4に示すランプアニール装置を用いた場合、降温過程に入る時間に処理室内に冷却したガスが導入されるようになっており、且つシャッターによりランプからの輻射熱を有効に遮断するので、ランプからの輻射熱が残留していてもガスによる空冷効果が加わっているのでウェーハ温度の上昇が抑制される。その結果、ウェーハ温度の設定温度に対する超過上昇(以下オーバーシュート)が従来例よりも抑制されている(特性線A)。また降温過程では温度低下が急峻であり従来例よりも降温速度が速くなっていることが分かる。ウェーハ温度のオーバーシュートは、第1の実施例よりもさらに抑制され、降温速度が最大で150℃/秒以上となっている。
【0022】
図6は、ウェーハ中の不純物の深さ分布を示す特性図であり、縦軸がウェーハ中の拡散領域の不純物濃度(/cm3 )を表し、横軸がウェーハ表面からの基板深さを表している。図は、本発明の半導体製造装置を用いた場合におけるウェーハのアニール後の不純物濃度の深さプロファイルを示す特性線Dと、従来の半導体製造装置を用いた場合におけるウェーハのアニール後の不純物濃度の深さプロファイルを示す特性線E及びアニール前のウェーハの不純物濃度の深さプロファイルを示す特性線Fとを表している。シリコン単結晶からなるウェーハの(100)面に不純物として2弗化ホウ素イオン(BF2 )をイオン注入装置を用いて加速エネルギー1keV、ドーズ量1E15cm-2、注入角度0℃で注入した後、1000℃、0秒の条件でアニールを行い、その後ウェーハ中のホウ素の濃度を2次イオン質量分析器により分析した結果である。この実施例ではウェーハ中の不純物の拡散が従来例に比べて抑制され、アニール前のプロファイル(特性線E参照)に近いものとなっていることが分かる。これはオーバーシュート抑制と降温速度高速化の効果によるものである。
【0023】
この実施例によれば、ランプアニール装置の高速昇降温が実現した結果、半導体基板に形成される不純物拡散領域の熱拡散などを迅速的確に行うことが可能になる。この実施例によれば、遮蔽物の挿入のタイミングは、ウェーハ温度を計測して温度データをフィードバックすることにより最適な時期を設定できる。これにより高速でウェーハを昇降温させることが可能となり、不純物の拡散を小さく抑制した熱処理を行うことが可能となる。また、本発明の半導体製造装置に用いられるガスは、実施例では窒素ガスであったが、このガスに限定されない。例えば、Ne、Ar、Kr、Xeなどがあり、さらに、この半導体製造装置がO2 ガス、N2 /H2 ガスなどのプロセスガスを用いる場合には、これらのプロセスガスを適用することができる。
なお、第1及び第2の実施例に示す加熱源には、例えば、図9に示すようなランプが用いられる。図9(b)に示す豆球を円盤状に配列した構造(図9(a))あるいは棒状ランプを配列した構造(図9(c))のものがある。
【0024】
次に、図10を参照して、これらの実施例に示されたランプアニール装置を用いた半導体装置の製造方法を説明する。図10は、半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。
シリコンなどの半導体基板40の主面にシリコン酸化膜などから構成された絶縁膜41を形成して、その上にパターニングされたフォトレジスト42を形成する(図10(a))。パターニングされたフォトレジスト42をマスクにして不純物、例えば、ホウ素(B)43を半導体基板40中にイオン注入する(図10(b))。フォトレジスト42を取り除いた後、半導体基板40を第1及び第2の実施例において説明されたランプアニール装置により熱処理し、イオン注入されたホウ素43を熱拡散(約1200℃)させてPウエル44を形成する。その後、素子分離領域45を形成し、素子分離領域45に区画された素子領域にポリシリコンなどのゲート電極を形成する。すなわち、Pウエル44が形成された素子領域及びPウエル以外の素子領域にシリコン酸化膜などのゲート絶縁膜46を介してゲート電極47が形成される。
【0025】
ゲート絶縁膜46は、絶縁膜41を除去した後に新たに形成される。そして、Pウエル44にはひ素(As)を、Pウエル以外の領域にはホウ素(B)を半導体基板40にイオン注入し、その後、第1及び第2の実施例において説明したランプアニール装置による熱処理によって不純物を熱拡散して、Pウエル44にはN型ソース/ドレイン領域48を形成し、Pウエル以外の領域にはP型ソース/ドレイン領域49を形成する。このようにして、CMOS構造の半導体素子が半導体基板40に形成される。
本発明の半導体製造装置を用いるのでウエル領域やソース/ドレイン領域などの不純物拡散領域は、ランプアニール装置の高速昇降温が実現した結果、迅速かつ的確に形成される。
【0026】
【発明の効果】
本発明は、処理室に導入するガスの経路を複数個設け、各経路毎のガス温度を制御し、ウェーハ温度計測器などからの温度データのフィードバックにより熱処理過程の昇温過程、降温過程などの過程に応じてガス経路を切り換え、処理室の内部あるいは外部に導入するガス温度を変化させることにより、ウェーハを高速で昇降温させることが可能となる。また、ウェーハ温度計測器からの温度データのフィードバックなどにより加熱源とウェーハの間に不透明な部材である遮光部材(シャッター)を移動させることによって、加熱源からの輻射熱を遮断し、ウェーハを高速で降温させることを可能にする。以上により、ウェーハ中の不純物の拡散を抑制した熱処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体製造装置であるランプアニール装置の概略断面図。
【図2】本発明及び従来の半導体製造装置を用いた場合のウェーハ温度の経時変化を示す特性図。
【図3】本発明及び従来の半導体製造装置を用いた場合のウェーハ中における不純物の深さ分布を示す特性図。
【図4】本発明の半導体製造装置であるランプアニール装置の概略断面図。
【図5】本発明及び従来の半導体製造装置を用いた場合のウェーハ温度の経時変化を示す特性図。
【図6】本発明及び従来の半導体製造装置を用いた場合のウェーハ中における不純物の深さ分布を示す特性図。
【図7】本発明の半導体製造装置に用いるシャッター部分を説明する断面図。
【図8】本発明の半導体製造装置に用いるシャッター部分を説明する平面図。
【図9】本発明の半導体製造装置に用いるランプの断面図及び平面図。
【図10】本発明の半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法を説明する断面図。
【図11】従来のランプアニール装置の概略断面図。
【符号の説明】
1、21、101・・・処理室、
2、22、102・・・被処理基板(ウェーハ)、
3、23、103・・・加熱源、
4、8、24、28、105、108・・・配管、
5、25・・・熱交換器、 6、26・・・切り換えバルブ、
7、9、27、29、104、109・・・ガスの流れを示す矢印、
10、20、107・・・ウェーハ支持体、
11、31・・・温度計測器、 12、32、106・・・支持ピン、
13、14、33、34・・・分岐配管、
35、37、38、39、40、41、42・・・遮蔽部材(シャッター)
36・・・第2の分岐配管。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus such as a single wafer heat treatment apparatus for a semiconductor wafer, and more particularly to a cold wall type lamp annealing apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when a semiconductor element such as a MOS transistor is formed on a semiconductor substrate, many methods have been adopted in which impurities are ion-implanted and thermally diffused by heat-treating the source / drain regions. The heat treatment apparatus used at this time is generally a lamp annealing apparatus.
[0003]
FIG. 11 is a schematic sectional view of a conventional lamp annealing apparatus. The wafer 102 is heated by the heat source 103 in a state where a semiconductor wafer 102 (hereinafter referred to as a wafer) 102 such as silicon is transferred to the processing chamber 101. As the heating source 103, a plurality of halogen lamps made of tungsten filaments are disposed, and a reflector that reflects light is disposed on the opposite side of the processing chamber across the lamps. A gas pipe 108 is attached to the wall of the processing chamber 101, and nitrogen gas is supplied at a flow rate of about 5 l (liter) / min to 10 l / min at room temperature from the direction indicated by the arrow 104. Further, a gas pipe 105 is attached to the wall of the processing chamber 101, and the indoor gas is discharged through the gas pipe 105 in the direction indicated by the arrow 109 (outside the room). A wafer support 107 is installed in the processing chamber 101, and support pins 106 are implanted on the surface thereof. A wafer 102 is placed on the support pins 106. In this state, the inside of the processing chamber 101 is heated by the heating source 103. Then, the impurity ion-implanted into the wafer 102 is thermally diffused to form an impurity diffusion region in the wafer 102.
[0004]
As described above, the lamp annealing apparatus used for the heat source 103 has been used in a process of diffusing impurities introduced into a silicon wafer (hereinafter referred to as a wafer). In this case, for example, after transferring the wafer to the processing chamber,2While introducing gas or the like, the lamp emits light, the wafer temperature is heated to about 400 ° C. to 1100 ° C. and held for a certain period of time (about 10 to 60 seconds), the lamp is turned off, and the wafer is allowed to cool to a low temperature. It is performed on the condition that the wafer is taken out of the processing chamber. All gases supplied into the processing chamber are introduced into the processing chamber at room temperature, and the temperature is not adjusted before entering the processing chamber.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, in the step of diffusing impurities in the wafer, it is important that the diffusion length can be adjusted arbitrarily. In particular, with the miniaturization of devices, it is necessary to control the diffusion length to be small. The diffusion length corresponds to the heat treatment temperature and the heat treatment time. In order to shorten the diffusion length, it is necessary to lower the heat treatment temperature or shorten the time. However, if the heat treatment temperature is not raised to a certain level, impurities are not activated and the resistance of the substrate increases, so there is a limit to lowering the temperature. When the impurity is boron (B) or arsenic (As), it is necessary to raise the temperature to about 1000 ° C. The processing time can shorten the time held at the set temperature, but if it is shortened to near 0 seconds, it cannot be further shortened. Therefore, as a method of further suppressing the diffusion length, a method of shortening the time when the wafer is hot as much as possible by increasing the wafer heating rate (temperature increase rate) and the wafer cooling rate (temperature decrease rate) is studied. Has been. The temperature raising rate can be increased to about 250 ° C./sec by applying large electric power to the lamp.
[0006]
However, the temperature drop rate is N2In air cooling with gas, the speed is increased only to about 90 ° C./sec even if helium gas having a high heat exchange efficiency is introduced into the processing chamber at about 70 to 80 ° C./sec. This is less than half of the heating rate. Even if only the rate of temperature increase is increased, if the rate of temperature decrease is slow, impurities eventually diffuse in the process of temperature decrease, and the effect of increasing the rate of temperature increase cannot be exhibited. As a result, there is a problem that it is impossible to control the diffusion length to be small.
The present invention has been made under such circumstances, and a semiconductor manufacturing apparatus that realizes high-speed temperature rising / falling of a lamp annealing apparatus in order to quickly and accurately perform thermal diffusion of an impurity diffusion region in a semiconductor device and the semiconductor manufacturing A method of manufacturing a semiconductor device using the apparatus is provided.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention is characterized in that in the lamp annealing apparatus, the temperature of the atmospheric gas introduced into the processing chamber is adjusted in order to realize high-speed temperature rise and fall, and the gas cooled in the temperature lowering process can be introduced into the chamber. Further, the present invention is characterized in that a shielding object can be inserted between the wafer and the lamp in order to completely block the radiated light from the lamp when the temperature lowering step is started. The timing for switching the gas temperature and inserting the shielding object can be set to an optimum time by measuring the wafer temperature and feeding back the temperature data. This makes it possible to raise and lower the temperature of the wafer at high speed, and to perform heat treatment while suppressing the diffusion of impurities.
  That is, the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention is introduced into a processing chamber for storing a substrate to be processed and the processing chamber.The temperature of the gas used for cooling is lower than room temperatureMeans for adjusting to the inside of the processing chamber.Lower than room temperatureA pipe for introducing gas and the processing chamber are arranged opposite to each other.A lampA heating source,At the same time that the substrate to be processed reaches a predetermined set temperature by the heating source, a gas having a temperature lower than room temperature reaches the substrate to be processed so that cooling of the substrate to be processed is started.It is characterized by that.
[0008]
  You may make it further comprise the light-shielding member which interrupts | blocks the light radiated | emitted from the said heat source. A light blocking member that blocks light emitted from the heating source transmits or blocks light emitted from the heating source by moving between the heating source and a substrate to be processed housed in the processing chamber. You may do it. The light blocking member that blocks the light emitted from the heating source may be cooled when not in a position to block the light emitted from the heating source. The light blocking member that blocks the light emitted from the heating source isThe processing chamberThe substrate may be moved according to the substrate temperature of the substrate to be processed stored in the substrate. A measuring instrument is installed in the processing chamber, and the measuring instrument may measure the substrate temperature of the substrate to be processed. A plurality of branch pipes are attached to the pipe attached to the processing chamber, and these branch pipes supply the same gas to the processing chamber through the pipe, and the temperature of the gas is: You may make it differ for every branch piping. The plurality of branch pipes may have branch pipes having a gas temperature of 0 ° C. or lower or 20 ° C. or lower. The gas introduced into the processing chamber may be supplied from any of the plurality of branch pipes, and the branch pipe that supplies the gas may be selected according to the substrate temperature of the substrate to be processed. The pipe may have at least one second branch pipe branched so that the gas contacts the outside of the processing chamber.
[0009]
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: sequentially forming a gate insulating film and a gate electrode in an element region of a main surface of a first conductivity type semiconductor substrate; A step of ion-implanting a second conductivity type impurity; and a step of heat-treating the semiconductor substrate to diffuse the ion-implanted impurity to form a source / drain region. It is characterized by being performed in any one of the semiconductor manufacturing apparatuses.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a first embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic sectional view of a lamp annealing apparatus, FIG. 2 is a characteristic diagram showing a change in wafer temperature over time when the present invention and a conventional semiconductor manufacturing apparatus are used, and FIG. It is a characteristic view which shows the depth distribution of the impurity in the wafer at the time of using an apparatus. The wafer 2 is heated by the heating source 3 in a state where the wafer 2 such as silicon is transferred into the processing chamber 1. As the heating source 3, a plurality of halogen lamps made of tungsten filaments are disposed, and a reflector that reflects light is disposed on the opposite side of the processing chamber 1 across the lamps. A pipe 4 attached to the wall of the processing chamber 1 for supplying gas to the processing chamber 1 is connected to a plurality of branch pipes 13 and 14. Nitrogen gas is supplied into the processing chamber 1 from the branch pipes 13 and 14 through the gas pipe 4 at a flow rate of about 5 l (liter) / min to 10 l / min at room temperature from the direction indicated by the arrow 7. Then, the gas in the room is discharged in the direction (outside the room) indicated by the arrow 9 by the gas pipe 8 attached to the wall of the processing chamber 1. A wafer support 10 is installed in the processing chamber 1, and support pins 12 are implanted on the surface thereof.
[0011]
The wafer 2 is placed on the support pins 12. In this state, the inside of the processing chamber 1 is heated by the heating source 3. Then, the impurities ion-implanted into the wafer 2 are thermally diffused to form impurity diffusion regions such as source / drain regions in the wafer 2.
Each of the branch pipes 13 and 14 passes through the heat exchanger 5 where the temperature of the gas is adjusted. That is, the same gas is supplied into the processing chamber 1 by two or more paths, and the heat exchanger 5 is attached to each path, so that the temperature can be adjusted for each path. It is possible. Selection of a route to be introduced into the processing chamber 1 is performed by a switching valve 6 attached to a branch point between the gas pipe 4 and the branch pipes 13 and 14. The operation of the switching valve 6 is automatically performed according to a preset control program. As for the temperature setting of the nitrogen gas, for example, one of the two paths 13 and 14 is set to 25 ° C., and the other one is set to 10 ° C. The wafer temperature is measured by an optical temperature measuring instrument 11 disposed on the wafer support 10 below the processing chamber 1. The temperature measuring method may be a contact type temperature measuring device.
[0012]
Annealing treatment at 1000 ° C. with a holding time of 0 seconds is performed in the following order. Here, 0 second annealing means that the temperature lowering process is started at the same time when the wafer temperature reaches 1000 ° C. Electric power is supplied to the heat source 3 to raise the wafer temperature, and the wafer temperature is raised from 600 ° C. to 1000 ° C. at a temperature raising rate of 200 ° C./sec. When the temperature increase is started, a route of 10 ° C. (for example, branch wiring 14) is selected as the nitrogen gas temperature. In this state, by setting the switching valve 6 to start the operation at a slightly low temperature just before the temperature measured by the wafer temperature measuring device 11 reaches 1000 ° C., the nitrogen gas actually set at 10 ° C. is processed. When entering the chamber 1 and reaching the wafer 2, it is possible to end the holding time and reach the temperature lowering process. The time specification for starting the operation of the switching valve 6 is changed according to the introduced gas flow rate and the rate of temperature rise so that the time when the wafer processing enters the temperature lowering process and the time when the low-temperature nitrogen gas reaches the wafer 2 are substantially matched. Is possible. In the temperature lowering process, it is desirable to introduce a gas having a large flow rate of 20 l / min or more to enhance the cooling effect of the wafer 1.
[0013]
FIG. 2 is a characteristic diagram for explaining the change of the wafer temperature with time. The vertical axis represents the wafer temperature (° C.), and the horizontal axis represents the heat treatment time (seconds). The figure shows a characteristic line A representing the change over time of the wafer temperature when using the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention and a characteristic line B representing the change over time of the wafer temperature using the conventional semiconductor manufacturing apparatus. It is. A characteristic line C indicated by a dotted line indicates a desired wafer temperature necessary for the heat treatment. In the conventional example, even after reaching 1000 ° C., the wafer temperature rises and it is delayed to enter the temperature lowering process (characteristic line B). This is because the lamp has a heat capacity, so that the radiant heat from the heating source stops. This is because it takes time and the wafer temperature rises during that time. On the other hand, when the lamp annealing apparatus shown in FIG. 1 which is the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention is used, the cooled gas is introduced into the processing chamber during the time of entering the temperature lowering process. Even if the radiant heat remains, since the air cooling effect by the gas is added, the rise in the wafer temperature is suppressed. As a result, an excessive increase (hereinafter referred to as overshoot) of the wafer temperature with respect to the set temperature is suppressed as compared with the conventional example (characteristic line A). Also, it can be seen that the temperature drop is steep in the temperature lowering process, and the temperature lowering rate is faster than the conventional example. In this case, the cooling rate is 100 ° C./second or more at the maximum.
[0014]
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the depth distribution of impurities in the wafer, and the vertical axis indicates the impurity concentration (/ cm in the diffusion region in the wafer).ThreeThe horizontal axis represents the substrate depth from the wafer surface. The figure shows a characteristic line D indicating the depth profile of the impurity concentration after annealing of the wafer when the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention is used, and the impurity concentration after annealing of the wafer when using the conventional semiconductor manufacturing apparatus. A characteristic line E indicating the depth profile and a characteristic line F indicating the depth profile of the impurity concentration of the wafer before annealing are shown. Boron difluoride ions (BF) as impurities on the (100) plane of a wafer made of silicon single crystal2 +) Using an ion implantation apparatus, acceleration energy 1 keV, dose 1E15 cm-2The results are shown in FIG. 5, after implantation at an implantation angle of 0 ° C., annealing is performed at 1000 ° C. for 0 seconds, and then the concentration of boron in the wafer is analyzed by a secondary ion mass spectrometer. In this embodiment, it can be seen that the diffusion of impurities in the wafer is suppressed as compared with the conventional example. This is due to the effects of suppressing overshoot and increasing the cooling rate.
According to this embodiment, as a result of realizing the rapid temperature increase / decrease in the temperature of the lamp annealing apparatus, it becomes possible to quickly and accurately carry out thermal diffusion of the impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate.
[0015]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a lamp annealing apparatus, FIG. 5 is a characteristic diagram showing a change in wafer temperature over time when the present invention and the conventional semiconductor manufacturing apparatus are used, and FIG. 6 is the present invention and conventional semiconductor manufacturing. FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the shutter portion, and FIG. 8 is a plan view illustrating the shutter portion. FIG. 7 is a characteristic diagram showing the depth distribution of impurities in the wafer when the apparatus is used. The wafer 22 is heated by the heating source 23 in a state where the wafer 22 such as silicon is transported into the processing chamber 21. For the heating source 23, a plurality of halogen lamps made of tungsten filaments are arranged, and a reflector that reflects light is arranged on the opposite side of the processing chamber 21 with the lamps interposed therebetween. A pipe 24 attached to the wall of the processing chamber for supplying gas to the processing chamber 21 is connected to a plurality of branch pipes 33 and 34. Nitrogen gas is supplied from the branch pipes 33 and 34 through the gas pipe 24 to the inside of the processing chamber 21 at a flow rate of about 5 l (liter) / min to 10 l / min at room temperature. Then, the gas in the room is discharged in the direction (outside the room) indicated by the arrow 29 by the gas pipe 28 attached to the wall of the processing chamber 21. A wafer support 20 is installed in the processing chamber 21, and support pins 32 are implanted on the surface thereof. A wafer 22 is placed on the support pins 32.
[0016]
In addition, a plurality of second branch pipes 36 are branched from the gas pipe 24, and the gas is configured to flow along the upper surface and the lower surface of the processing chamber 21 from the front ends thereof. Further, a light shielding member (hereinafter referred to as a shutter) 35 that blocks light from the heating source is inserted between the heating source 23 and the processing chamber 21. The shutter 35 is usually installed outside the processing chamber. The shutter 35 is movable and is placed on a guide rail (not shown) arranged on the outside so as not to block the light from the heating source. An arm (not shown) driven at high speed is configured to be inserted between the heating source and the processing chamber from the outside when the temperature is lowered.
In this state, the inside of the processing chamber 21 is heated by the heating source 23. Then, the impurities ion-implanted into the wafer 22 are thermally diffused to form impurity diffusion regions such as source / drain regions in the wafer 22.
[0017]
The branch pipes 33 and 34 pass through the heat exchanger 25, respectively, where the temperature of the gas is adjusted. That is, the same gas is supplied into the processing chamber 21 through two or more paths, and the heat exchanger 25 is attached to each path, so that the temperature can be adjusted for each path. It is possible. Selection of a route to be introduced into the processing chamber 21 is performed by a switching valve 26 attached to a branch point between the gas pipe 24 and the branch pipes 33 and 34. The operation of the switching valve 26 is automatically performed according to a preset control program. As for the temperature setting of the nitrogen gas, for example, one of the two paths (branch pipes) 33 and 34 is set to 25 ° C., and the other one is set to 10 ° C. The wafer temperature is measured by an optical temperature measuring device 31 disposed on the wafer support 20 below the processing chamber 21. The temperature measuring method may be a contact type temperature measuring device.
[0018]
The annealing process under the conditions of 1000 ° C. and holding time of 0 second by the lamp annealing apparatus of FIG. 4 is performed in the following order. At the same time, the lamp output is cut. Electric power is supplied to the heating source 23 to raise the wafer temperature, and the wafer temperature is raised from 600 ° C. to 1000 ° C. at a temperature raising rate of 200 ° C./sec. For example, a route (for example, the branch wiring 34) of 10 ° C. is selected as the nitrogen gas temperature when the temperature increase is started. In this state, by setting the switching valve 26 to start operation at a slightly lower temperature immediately before the temperature measured by the wafer temperature measuring device 31 reaches 1000 ° C., the nitrogen gas set at 10 ° C. is actually processed. When entering the chamber 21 and reaching the wafer 22, it is possible to end the holding time and reach the temperature lowering process. The time for starting the operation of the switching valve 26 is changed according to the introduced gas flow rate or the rate of temperature rise so that the time when the wafer processing enters the temperature lowering process and the time when the low-temperature nitrogen gas reaches the wafer 22 can be substantially matched. It becomes possible.
[0019]
When the temperature falls, the shutter 35 is inserted at the same time as the wafer temperature reaches 1000 ° C., and the radiant heat from the heating source 23 is cut off. At the same time, the lamp output of the heating source 23 is also cut. As the shutter material, it is desirable to use a material having a large heat capacity, such as metal or ceramic, and strong against heat stress. For example, the shutter can be configured such that stainless steel is used as a base material having good thermal conductivity, carbon is applied to the wafer side, and gold foil or the like is attached to the heating source side. In this way, forming the surface layer on the surface of the substrate has the purpose of preventing the deterioration of the substrate, but the shutter effect is achieved by making the heating source side a surface with high reflectivity and the wafer side with a surface with low reflectivity. There is also an aim to improve. Therefore, a noble metal such as Au, Al or Pt can be coated on the heating source side, and a layer of carbon (C) or black SiC can be formed on the wafer side.
[0020]
Next, a structure different from the shutter described above will be described with reference to FIGS. The shutter shown in FIG. 7 is configured such that two movable shutters 37 and 38 that block light from the heating source are inserted between the heating source and the processing chamber. Two shutters 37 and 38 completely cover the heating source. The shutters 37 and 38 are usually installed outside the processing chamber. These shutters are mounted on guide rails arranged outside the processing source so as not to block the light from the heating source, and the shutters 37 and 38 are outside when the temperature is lowered by an arm driven at high speed with high-pressure air. To be inserted between the heating source and the processing chamber. The shutter of FIG. 8 is configured such that, for example, four movable shutters 39 to 42 that block light from the heating source are inserted between the heating source and the processing chamber. The shutters 39 to 42 are configured to completely cover the heating source with four sheets. The shutters 39 to 42 are usually installed outside the processing chamber, and each one of these shutters is fixed on a fulcrum 43 arranged outside so as not to block the light of the heating source, and these are driven at a high speed by the fulcrum 43. By doing so, it is configured to be inserted between the heating source and the processing chamber from the outside when the temperature is lowered. Since the shutters of FIGS. 7 and 8 have a short traveling distance, the blocking speed is much faster than that of the second embodiment.
[0021]
FIG. 5 is a characteristic diagram for explaining the change of the wafer temperature with time. The vertical axis represents the wafer temperature (° C.), and the horizontal axis represents the heat treatment time (seconds). The figure shows a characteristic line A representing the change over time of the wafer temperature when the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention is used, and a characteristic line B representing the change over time of the wafer temperature when using the conventional semiconductor manufacturing apparatus. It is. A characteristic line C indicated by a dotted line indicates a desired wafer temperature necessary for the heat treatment. In the conventional example, even after reaching 1000 ° C., the wafer temperature rises and it is delayed to enter the temperature-decreasing process (characteristic line B). This is because it takes time and the wafer temperature rises during that time. On the other hand, when the lamp annealing apparatus shown in FIG. 4 which is the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention is used, the cooled gas is introduced into the processing chamber at the time of entering the temperature lowering process, and the shutter is used. Since the radiant heat from the lamp is effectively cut off, even if the radiant heat from the lamp remains, the air cooling effect by the gas is added, so that an increase in the wafer temperature is suppressed. As a result, an excessive increase (hereinafter referred to as overshoot) of the wafer temperature with respect to the set temperature is suppressed as compared with the conventional example (characteristic line A). Also, it can be seen that the temperature drop is steep in the temperature lowering process, and the temperature lowering rate is faster than the conventional example. The overshoot of the wafer temperature is further suppressed as compared with the first embodiment, and the cooling rate is 150 ° C./second or more at the maximum.
[0022]
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the depth distribution of impurities in the wafer, and the vertical axis indicates the impurity concentration (/ cm in the diffusion region in the wafer).ThreeThe horizontal axis represents the substrate depth from the wafer surface. The figure shows a characteristic line D indicating the depth profile of the impurity concentration after annealing of the wafer when the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention is used, and the impurity concentration after annealing of the wafer when using the conventional semiconductor manufacturing apparatus. A characteristic line E indicating the depth profile and a characteristic line F indicating the depth profile of the impurity concentration of the wafer before annealing are shown. Boron difluoride ions (BF) as impurities on the (100) plane of a wafer made of silicon single crystal2 +) Using an ion implantation apparatus, acceleration energy 1 keV, dose 1E15 cm-2The results are shown in FIG. 5, after implantation at an implantation angle of 0 ° C., annealing is performed at 1000 ° C. for 0 seconds, and then the concentration of boron in the wafer is analyzed by a secondary ion mass spectrometer. In this example, it is understood that the diffusion of impurities in the wafer is suppressed as compared with the conventional example, and is close to the profile before annealing (see the characteristic line E). This is due to the effects of suppressing overshoot and increasing the cooling rate.
[0023]
According to this embodiment, as a result of realizing the rapid temperature increase / decrease in the temperature of the lamp annealing apparatus, it becomes possible to quickly and accurately carry out thermal diffusion of the impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate. According to this embodiment, the optimum timing for inserting the shielding object can be set by measuring the wafer temperature and feeding back the temperature data. This makes it possible to raise and lower the temperature of the wafer at high speed, and to perform heat treatment while suppressing the diffusion of impurities. Moreover, although the gas used for the semiconductor manufacturing apparatus of this invention was nitrogen gas in the Example, it is not limited to this gas. For example, there are Ne, Ar, Kr, Xe and the like.2Gas, N2/ H2In the case of using a process gas such as a gas, these process gases can be applied.
For example, a lamp as shown in FIG. 9 is used as the heating source shown in the first and second embodiments. There is a structure in which the bean balls shown in FIG. 9B are arranged in a disk shape (FIG. 9A) or a structure in which rod-shaped lamps are arranged (FIG. 9C).
[0024]
Next, a method of manufacturing a semiconductor device using the lamp annealing apparatus shown in these embodiments will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device.
An insulating film 41 made of a silicon oxide film or the like is formed on the main surface of a semiconductor substrate 40 such as silicon, and a patterned photoresist 42 is formed thereon (FIG. 10A). Impurities, for example, boron (B) 43 is ion-implanted into the semiconductor substrate 40 using the patterned photoresist 42 as a mask (FIG. 10B). After removing the photoresist 42, the semiconductor substrate 40 is heat-treated by the lamp annealing apparatus described in the first and second embodiments, and the ion-implanted boron 43 is thermally diffused (about 1200 ° C.) to form a P well 44. Form. Thereafter, an element isolation region 45 is formed, and a gate electrode such as polysilicon is formed in the element region partitioned by the element isolation region 45. That is, the gate electrode 47 is formed in the element region where the P well 44 is formed and the element region other than the P well via the gate insulating film 46 such as a silicon oxide film.
[0025]
The gate insulating film 46 is newly formed after the insulating film 41 is removed. Then, arsenic (As) is ion-implanted into the P well 44 and boron (B) is ion-implanted into the semiconductor substrate 40 in the region other than the P well, and then the lamp annealing apparatus described in the first and second embodiments is used. Impurities are thermally diffused by heat treatment to form an N type source / drain region 48 in the P well 44 and a P type source / drain region 49 in a region other than the P well. In this way, a semiconductor element having a CMOS structure is formed on the semiconductor substrate 40.
Since the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention is used, the impurity diffusion regions such as the well region and the source / drain regions are formed quickly and accurately as a result of the rapid temperature increase / decrease in temperature of the lamp annealing device.
[0026]
【The invention's effect】
The present invention provides a plurality of gas paths to be introduced into the processing chamber, controls the gas temperature for each path, and uses a temperature data feedback from a wafer temperature measuring instrument or the like to increase the temperature of the heat treatment process, the temperature decrease process, etc. It is possible to raise and lower the temperature of the wafer at high speed by switching the gas path according to the process and changing the gas temperature introduced into or outside the processing chamber. Also, by moving a light shielding member (shutter), which is an opaque member, between the heating source and the wafer by feedback of temperature data from the wafer temperature measuring instrument, etc., the radiant heat from the heating source is blocked and the wafer is moved at high speed. It is possible to lower the temperature. As described above, heat treatment can be performed while suppressing diffusion of impurities in the wafer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a lamp annealing apparatus which is a semiconductor manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a change in wafer temperature over time when the present invention and a conventional semiconductor manufacturing apparatus are used.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a depth distribution of impurities in a wafer when the present invention and a conventional semiconductor manufacturing apparatus are used.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a lamp annealing apparatus which is a semiconductor manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a change in wafer temperature over time when the present invention and a conventional semiconductor manufacturing apparatus are used.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the depth distribution of impurities in a wafer when the present invention and a conventional semiconductor manufacturing apparatus are used.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a shutter portion used in the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 8 is a plan view illustrating a shutter portion used in the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention.
9A and 9B are a cross-sectional view and a plan view of a lamp used in the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device using the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 11 is a schematic sectional view of a conventional lamp annealing apparatus.
[Explanation of symbols]
1, 21, 101 ... processing chamber,
2, 22, 102... Substrate to be processed (wafer),
3, 23, 103 ... heating source,
4, 8, 24, 28, 105, 108 ... piping,
5, 25 ... heat exchanger, 6, 26 ... switching valve,
7, 9, 27, 29, 104, 109 ... arrows indicating gas flow,
10, 20, 107 ... wafer support,
11, 31 ... temperature measuring instrument, 12, 32, 106 ... support pins,
13, 14, 33, 34 ... branch piping,
35, 37, 38, 39, 40, 41, 42 ... shielding member (shutter)
36: Second branch pipe.

Claims (10)

被処理基板を収納する処理室と、前記処理室に導入される冷却に用いる気体の温度を常温より低い温度に調節する手段と、前記処理室に取り付けられ、この処理室内部に前記常温より低い温度の気体を導入する配管と、前記処理室に対向配置されたランプからなる加熱源とを具備し、前記被処理基板が前記加熱源によって所定の設定温度に到達すると同時に、前記常温より低い温度の気体を前記被処理基板に到達させて、前記被処理基板の冷却が開始されるような制御手段を具備することを特徴とする半導体製造装置。A processing chamber for storing a substrate to be processed; means for adjusting a temperature of a gas used for cooling introduced into the processing chamber to a temperature lower than room temperature; and the chamber is attached to the processing chamber and is lower than the room temperature in the processing chamber. A pipe for introducing a gas having a temperature; and a heating source including a lamp disposed opposite to the processing chamber, and the substrate to be processed reaches a predetermined set temperature by the heating source, and at the same time, a temperature lower than the normal temperature. A semiconductor manufacturing apparatus comprising control means for causing the gas to reach the substrate to be processed to start cooling the substrate to be processed. 前記加熱源から放射される光を遮断する遮光部材をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体製造装置。  The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, further comprising a light blocking member that blocks light emitted from the heating source. 前記加熱源から放射される光を遮断する遮光部材は、前記加熱源と前記処理室に収納された被処理基板との間を移動することにより前記加熱源から放射される光を透過あるいは遮断させることを特徴とする請求項2に記載の半導体製造装置。  A light blocking member that blocks light emitted from the heating source transmits or blocks light emitted from the heating source by moving between the heating source and a substrate to be processed housed in the processing chamber. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 2. 前記加熱源から放射される光を遮断する遮光部材は、前記加熱源から放射される光を遮断する位置にない場合には冷却されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体製造装置。  4. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 3, wherein the light shielding member that blocks light emitted from the heating source is cooled when the light shielding member is not in a position that blocks light emitted from the heating source. 5. . 前記加熱源から放射される光を遮断する遮光部材は、前記処理室に収納された被処理基板の基板温度に応じて移動させる制御手段を具備することを特徴とする請求項4に記載の半導体製造装置。5. The semiconductor according to claim 4, wherein the light shielding member that blocks light emitted from the heating source includes a control unit that moves the light according to the substrate temperature of the substrate to be processed housed in the processing chamber. Manufacturing equipment. 前記処理室には計測器が設置されており、この計測器は、前記被処理基板の基板温度を計測することを特徴とする請求項5に記載の半導体製造装置。  The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 5, wherein a measuring instrument is installed in the processing chamber, and the measuring instrument measures a substrate temperature of the substrate to be processed. 前記処理室に取り付けられた前記配管には、複数の分岐配管が取り付けられ、これらの分岐配管は、前記配管を介して、すべて同じ気体を前記処理室に供給し、且つこの気体の温度は分岐配管ごとに異なることを特徴とする請求項1に記載の半導体製造装置。  A plurality of branch pipes are attached to the pipe attached to the processing chamber. These branch pipes supply the same gas to the processing chamber through the pipes, and the temperature of the gas is branched. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the semiconductor manufacturing apparatus is different for each pipe. 前記処理室に導入されるガスは、前記複数の分岐配管のいずれかから供給され、このガスを供給する分岐配管は、前記被処理基板の基板温度に応じて選択されることを特徴とする請求項7に記載の半導体製造装置。  The gas introduced into the processing chamber is supplied from one of the plurality of branch pipes, and the branch pipe for supplying the gas is selected according to the substrate temperature of the substrate to be processed. Item 8. The semiconductor manufacturing apparatus according to Item 7. 前記配管には、前記処理室の外側に前記気体が接触するように、少なくとも1つの第2の分岐配管が分岐されていることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の半導体製造装置。  The at least one 2nd branch piping is branched to the said piping so that the said gas may contact the outer side of the said processing chamber, The Claim 1 thru | or 8 characterized by the above-mentioned. Semiconductor manufacturing equipment. 第1導電型の半導体基板主面の素子領域にゲート絶縁膜及びゲート電極を順次形成する工程と、前記ゲート電極をマスクにして、前記半導体基板主面に第2導電型不純物をイオン注入する工程と、前記半導体基板を熱処理して、前記イオン注入された不純物を拡散させてソース/ドレイン領域を形成する工程とを具備し、前記熱処理工程は、請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の半導体製造装置内で行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。  A step of sequentially forming a gate insulating film and a gate electrode in an element region of the main surface of the first conductive type semiconductor substrate; and a step of ion-implanting a second conductive type impurity into the main surface of the semiconductor substrate using the gate electrode as a mask And heat-treating the semiconductor substrate to diffuse the ion-implanted impurities to form source / drain regions, the heat-treating step according to any one of claims 1 to 9. The method for manufacturing a semiconductor device is performed in the semiconductor manufacturing apparatus.
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