JP2004503108A

JP2004503108A - Heat treatment of semiconductor substrate

Info

Publication number: JP2004503108A
Application number: JP2002508836A
Authority: JP
Inventors: ボアス，　ライアン，　シー．; バラクリシュナ，　アジト; ビーアマン，　ベンジャミン; ハース，　ブライアン，　エル．; ジェニングズ，　ディーン; アダーホールド，　ウォルフガング; ラママーシー，　サンダー; マユール，　アブヒラシュ
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2004-01-29
Also published as: WO2002005323A2; EP1297560A2; CN1279577C; WO2002005323A3; CN1447980A; KR100838874B1; KR20030014322A

Abstract

加熱段階または冷却段階、あるいはその両段階中に、基板の温度応答を制御可能な熱処理方法について説明する。この方法により、基板の熱使用量は減少し、基板上に形成される素子の特性および性能が改善される。特に、基板と熱供給源（例えば、水冷反射器プレートアセンブリ）との間の熱伝達速度を制御することによって、熱処理中の基板の温度応答が制御可能である。基板と熱供給源との間の熱伝導度を変化させる、または熱供給源の表面の放射率を変化させる、あるいは基板と熱供給源との間の距離を変えることによって、熱伝達速度を変化させることが可能である。基板と熱供給源との間に位置する熱移送媒体（例えば、パージガス）の特性を変えることによって、熱伝導度を変化させることが可能である。例えば、基板と熱供給源との間のパージガスの組成、または圧力を変えることによって、熱伝導度を変化させることが可能である。１つの実施において、基板は熱スケジュールに従って加熱され、熱スケジュール中に熱処理システム内の基板と熱供給源との間の熱伝達速度が変化する。別の実施において、第１のパージガスが熱処理システム内に供給され、基板が熱スケジュールに従って加熱され、第１のパージガスとは異なる第２のパージガスが熱処理システム内に供給される。A heat treatment method capable of controlling the temperature response of the substrate during the heating step, the cooling step, or both steps will be described. In this manner, the amount of heat used in the substrate is reduced, and the characteristics and performance of devices formed on the substrate are improved. In particular, by controlling the rate of heat transfer between the substrate and a heat source (eg, a water-cooled reflector plate assembly), the temperature response of the substrate during the heat treatment can be controlled. Changing the rate of heat transfer by changing the thermal conductivity between the substrate and the heat source, or changing the emissivity of the surface of the heat source, or changing the distance between the substrate and the heat source It is possible to do. By changing the properties of the heat transfer medium (eg, purge gas) located between the substrate and the heat source, it is possible to change the thermal conductivity. For example, by changing the composition or pressure of the purge gas between the substrate and the heat source, the thermal conductivity can be changed. In one implementation, the substrate is heated according to a thermal schedule, during which the rate of heat transfer between the substrate and the heat source in the thermal processing system changes. In another implementation, a first purge gas is supplied into the thermal processing system, the substrate is heated according to a thermal schedule, and a second purge gas different from the first purge gas is supplied into the thermal processing system.

Description

【０００１】
関連出願に対するクロスリファレンス
【０００２】
本出願は、１９９９年７月８日に提出された米国出願番号第０９／３５０，４１５の一部継続出願であり、１９９７年７月３０日に提出された米国出願番号第０８／８８４，１９２と関連する。両出願共に、参照として本明細書に包含されるものとする。
【０００３】
発明の背景
【０００４】
本発明は、半導体基板を熱処理するシステムおよび方法に関する。
【０００５】
基板処理システムは、半導体論理素子およびメモリ素子、フラットパネル表示、ＣＤ−ＲＯＭ、その他の素子を生産するために用いられる。処理中に、そのような基板には、化学蒸着法（ＣＶＤ）および急速加熱処理（ＲＴＰ）が行われる可能性がある。ＲＴＰは、例えば、急速加熱アニーリング（ＲＴＡ）、急速加熱クリーニング（ＲＴＣ）、急速加熱化学蒸着法（ＲＴＣＶＤ）、急速加熱酸化（ＲＴＯ）、急速加熱窒化（ＲＴＮ）を含む。通常ＲＴＰシステムは、光透過性ウインドウを介して基板を放射加熱する、１つまたは複数のランプから形成された加熱素子を含む。ＲＴＰシステムは、さらに、基板の裏面に対向した光反射面などの、１つまたは複数の異なる光要素と、処理中に基板の温度を測定する１つまたは複数の光検知器とを含んでもよい。多くの急速加熱処理には、長時間にわたる基板温度の精確な制御が必要とされる。
【０００６】
発明の概要
【０００７】
本発明は、加熱段階または冷却段階、あるいはその両段階中に、基板の温度応答が制御可能な熱処理方法を特徴とする。この方法により、基板の熱使用量が減少し、基板上に形成される素子の特性および性能が改善される。特に、本発明は、基板と熱供給源（例えば、水冷反射器プレートアセンブリ）との間の熱伝達速度を熱処理中に制御することにより、基板の温度応答を制御可能にすることを実現した。
【０００８】
１つの態様において、基板が熱スケジュールに従って加熱され、熱スケジュール中に、熱処理システム内の基板と熱供給源との間の熱伝達速度が変化する。
【０００９】
本発明の利点を以下に示す。基板が熱処理システム内で加熱または冷却される速度が速ければ、特定の熱処理方法（例えば、極浅接合を形成する方法）の結果が改善される。熱処理中に処理チャンバー内の基板と熱供給源との間の熱伝達速度を変化させることにより、加熱段階または冷却段階、あるいはその両方の段階が最適化され、作成される素子の特性を改善することが可能となる。基板上の温度の均一性も改善される。
【００１０】
別の特徴および利点は、請求項と、図面を含む以下の説明とから明らかになるであろう。
【００１１】
詳細な説明
【００１２】
図１を参照すると、基板１２を処理するためのシステム１０は、水冷加熱ランプアセンブリ１６によって、石英ウインドウ１８を介して放射加熱される、処理チャンバー１４を含む。基板１２の外周縁は、最大約３００ｒｐｍ（回転／分）の速度で回転可能な回転可能支持構造２０によって支持される。基板１２の下には、基板１２の放射効率を高めるために、熱供給源として機能し、かつ基板１２の裏面に対向する光反射面を有する反射器プレートアセンブリ２２がある。反射キャビティ１５は、基板１２と反射器プレートアセンブリ２２の上面との間に形成される。８インチ（２００ｍｍ）シリコンウェーハを処理するために設計されたシステムにおいて、反射器プレートアセンブリの直径は約８．９インチ、基板１２と反射器プレートアセンブリ２２の上面との間の離隔距離は約５〜１０ｍｍ、そして基板１２と石英ウインドウ１８との離隔距離は約２５ｍｍである。反射器プレートアセンブリ２２は、通常約２３℃で保持される水冷基部２３上に搭載される。
【００１３】
基板１２の局部領域の温度は、基板上の異なる半径方向位置の基板温度を測定するために配置された複数の温度プローブ２４によって測定される。温度プローブ２４は、反射器プレートアセンブリ２２の上面に延在する光ポート２５、２６、２７を介して、処理チャンバーの内部からの光を受ける。処理システム１０は、全部で１０個の温度プローブを備えることが可能であるが、図１では３個のプローブのみが示されている。より一般的には、２００ｍｍの基板に対しては５個の温度プローブが用いられ、３００ｍｍの基板に対しては７個のプローブが用いられる。
【００１４】
反射器プレートの表面において、各光ポートは、約０．０８インチの直径を有することが可能である。サファイア光パイプは、光ポートが受けた光をそれぞれの光検知器（例えば高温計）に分配する。この光検知器は、基板１２の局部領域の温度を判定するために用いられる。光検知器からの温度測定値は、コントローラ２８によって受け取られ、コントローラ２８は加熱ランプアセンブリ１６の放射出力を制御し、そのフィードバックループの結果、基板１２の温度を均一に加熱する処理システムの能力が改善される。このような制御システムは、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，７５５，５１１で説明されており、この開示は全て本明細書に参照として包含されものとする。
【００１５】
図１に示されるように、いくつかの熱処理において、処理ガス３９がガス入力３０を介して処理チャンバー１４内に供給される。処理ガスは、基板１２の上面に渡って流動し、加熱された基板と反応して、例えば酸化膜層または窒化膜層を形成する。過剰な処理ガスおよび任意の揮発性反応による副生成物（基板によって放出される酸化物等）は、ポンプシステム３４により、処理チャンバー１４からガス出力３２を介して回収される。別の熱処理において、パージガス（例えば窒素）を、ガス入力３０を介して熱処理チャンバー１４内に供給してもよい。パージガスは、基板１２の上面に渡って流動し、処理チャンバー１４内の揮発性汚染物質を運び去る。
【００１６】
反射キャビティ１５において、パージ流体注入器４０は、反射器プレートアセンブリ２２の上面に渡ってパージガス４２の略層流を生成する。パージガス４２は、排気ポート４４を介して反射キャビティ１５から除去される。排気ポート４４は約０．３７５インチの直径を有し、反射器プレートアセンブリ２２の中軸から約２インチの位置に配置可能である。動作時は、パージガス入力４６内にパージガスが注入され、複数のチャンネル４８を介して反射器プレートアセンブリ２２で分散される。次いで、パージガスは、反射器プレートアセンブリ２２の上面上に例えば約０．０１インチ（０．２５ｍｍ）の間隔を置いて配置されたディフェクタ５０に向かって流入し、パージガス４２の略層流を生成する。
【００１７】
図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、１つの実施形態において、不純物がドープされた半導体基板に極浅接合が以下のようにして形成される。基板は熱処理チャンバー１４内に取付けられる（ステップ２００）。第１のパージガス（例えば窒素）は、ガス入力３０を介して熱処理チャンバー１４内に、またはパージ流体注入器４０の出力を介して反射キャビティ１５内に、あるいはその両方に供給される（ステップ２０２）。基板は、加熱ランプアセンブリ１６によって、初期温度の約７００℃まで加熱される（ステップ２０４）。加熱ランプアセンブリ１６は、時間ｔ_０で、ターゲットピーク温度、例えば約１０００℃または１１００℃まで基板を加熱し始める（ステップ２０６）。基板が（時間ｔ_１で）ターゲットピーク温度にほぼ一致する温度まで加熱された後は、加熱ランプアセンブリ１６によって供給された放射エネルギーが減少し、第２のパージガス（例えばヘリウム）が、パージ流体注入器４０によって反射キャビティ１５内に供給される（ステップ２０８）。実際には、ターゲットピーク温度に達する直前にヘリウムパージガスの注入を開始してもよい。それによって、基板と反射アセンブリ２２との間に画定された反射キャビティ１５は、基板が加熱されてターゲット温度に達する時間までには第２のパージガスで充満される。第１のパージガスが、加熱段階中にパージ流体注入器４０によって供給された場合、パージガスの供給は、時間ｔ_１で、または時間ｔ_１前後で第１のパージガスから第２のパージガスへと切換えられる。基板が閾値温度未満（例えば８００℃未満）まで冷却された後、基板は熱処理チャンバー１４から取り外される（ステップ２１０）。
【００１８】
第２のパージガスは、ターゲット温度に到達する約１〜３秒前に反射キャビティ１５に供給可能である。第２のパージガスの流入を、ターゲット温度に到達する約１〜２秒前に始動させるか、あるいは第２のパージガスの流入を、ターゲット温度に到達する約１〜１．５秒前に開始できることが理想的である。実際の時間は、反射キャビティ内に第２のパージガスを導入するために用いられるシステムによって選択される（図４を参照）。
【００１９】
第１のパージガスの流動が停止し、排気ポート４４を介して反射キャビティから排出されるに伴い、第１のガスが反射キャビティ１５内に存在していれば第２のパージガスへ切り替えられる。
【００２０】
第２のパージガスは、熱処理の任意の冷却段階中に、反射キャビティ１５内に導入してもよい。例えば、別の実施形態において、第２のパージガスは、熱処理の熱ソーク周期後の冷却段階中に、反射キャビティ１５内に供給されてもよい。
【００２１】
本発明者は、熱処理中に処理チャンバー内の基板と熱供給源との間の熱伝達速度を変化させることにより、加熱段階または冷却段階、あるいはその両段階を最適化し、作成される素子の特性の改善を実現した。
【００２２】
例えば、処理システム１０内の基板１２と熱供給源（例えば、冷却反射器プレートアセンブリ２２）との間に供給されるパージガスを適切に選択することにより、基板が冷却される速度の実質的加速が可能である。１つの態様において、本発明者は、比較的高い熱伝導度を有するパージガス（例えば、ヘリウム、水素、またはこれらの混合物）で、基板の冷却速度を加速し、それにより特定の素子（例えば、極浅接合トランジスタ）の動作特性または処理の歩留まりの向上を実現した。例えば、低い熱伝導率を有するパージガス（例えば、窒素）を使用した場合よりも、ヘリウムガスを反射キャビティ１５内に供給した場合の方が、基板冷却速度は実質上速い。図２Ｂに示すように、基板の温度は、ヘリウムパージガスを用いた場合は、時間ｔ_１とｔ_２との間（約６秒程度）で約１１００℃から６５０℃に降下しているのに対し、窒素パージガスを用いた場合は、同一時間で約８００℃までしか降下しない。別の態様において、本発明者は、比較的低い熱伝導度を有するパージガス（例えば、窒素、アルゴン、キセノン、またはこれら２種類もしくはそれ以上の混合物）を反射キャビティ１５の内に供給して、基板１２と反射器プレートアセンブリ２２との間の熱結合を減らすことにより、熱処理の加熱段階中（例えば、図２Ｂの時間ｔ_０とｔ_１との間）に基板の温度が上昇する速度を加速することを実現した。それゆえ、熱処理の加熱および冷却段階中に基板と熱供給源との間に供給されるパージガスを適切に選択することによって、総熱使用量、すなわち一定期間での基板の温度Ｔ（ｔ）の積分量∫Ｔ（ｔ）・ｄｔを減少させることが可能である。これにより、そのような熱処理によって作成される特定の素子の特性が改善される。
【００２３】
第２のパージガス（例えば、ヘリウム）が反射キャビティから排気される速度｛分毎の標準リットル（ｓｌｍ）｝は、最も効率的な冷却速度を得るために最適化されるのが望ましい。排気速度が速過ぎると、ヘリウムパージガスが急速にチャンバーから流出し、基板と反射器プレートアセンブリとの間の効果的な熱結合が妨げられる。一方、排気速度が遅過ぎると、ヘリウムパージガスが基板の中央部に到達するまでの時間が長くなり、その結果、基板の外周部がより早く冷却される。これにより、著しい熱応力が生じ、それが基板に影響を及ぼす可能性がある。
【００２４】
第２のパージガスが反射キャビティ内に注入される速度は、第２のパージガスが反射キャビティから排出される速度とほぼ同一であることが有利となる。これは、本発明者により見出されたものであり、これによって基板の温度勾配が冷却動作中に実質的に降下し、基板の欠陥形成が抑制される。
【００２５】
また、本発明者は、冷却中、第２のパージガスを、例えばスパイクアニール動作中にできるだけ速く反射キャビティ内へ流入させることが有利であることを見出した。これにより、最大瞬間降下速度、ＭａｘｄＴ／ｄｔ（℃／ｓ）および基板がターゲット温度にある時間が、極浅接合形成を得るため確実に最適化される。
【００２６】
表１に示されるように、第２のパージガスの注入速度と排気速度が実質的に同一の場合は（運転Ｆ）、基板上の温度均一性｛最大Δ（℃）｝は冷却中に最適化される。最大Δのデータは、５つの異なる半径方向位置で基板の温度を測定する５つの光検知器によって読み取られた最大温度値と最低温度値との差を示している。これからわかるように、流入するパージガスの速度が、流出するパージガスの速度と略同一の場合、最大Δは最低になり、それゆえ基板上の温度均一性は最良の状態となる。
【００２７】
またこのデータは、第２のパージガスの流速が比較的速い場合（運転Ｆ）には、最大瞬間降下速度と、基板がターゲット温度｛時間＞１０００℃（ｓ）｝にある時間とが最適化されることも示している。すなわち、反射キャビティ内のパージガス流速が比較的速い場合は、基板がターゲット温度にある時間は最短となる。
【００２８】
【表１】

【００２９】
図２Ｃにおいて、運転Ａ〜Ｆの特定のデータがグラフによって比較されている。曲線ＡＡおよびＡＢは、それぞれ運転Ａにおける基板の中心部および端部の光検知器によって読み取られた温度値を示す。一方、曲線ＦＡおよびＦＢは、それぞれ運転Ｆにおける基板の中心部および端部の光検知器によって読み取られた温度値を示す。曲線ＡＣおよびＦＣは、それぞれ運転ＡおよびＦにおける基板上の温度均一性（ＭａｘΔ）を示す。以上のように、第２のパージガス流入速度が、第２のパージガス流出速度と実質的に同一の場合、温度均一性が最適化される。
【００３０】
図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、パージ反射器４０の１つの実施形態において、反射器プレートアセンブリ２２は、ディフレクタリング５２と、上部反射器プレート５４と、底部反射器プレート５６とを含む。底部反射器プレート５６は、パージガスを入力４６から受け取り、垂直チャネル６０へ分配する水平チャネル５８を有する。垂直チャネル６０は、上部反射器プレート５４の複数の水平チャネル４８と通じている。水平チャネル４８は、パージガスを上部反射器プレート５４の外周部の異なる位置に行き渡らせる。ディフレクタリング５２は、底部反射器プレート５６の下側周辺端部６４上にある周辺壁６２を含み、上部反射器プレート５４の周辺壁と共に、０．０２７５インチ幅の垂直チャネルを画定する。垂直チャネルは、パージガスの流動をディフレクタ５０へと導き、反射プレート５４の上面に渡って略層流を生成する。パージガスおよび運び去られたあらゆる揮発性汚染物質は、排気ポート４４を介して処理チャンバーから除去される。底部反射プレート５６の水平チャネル６６は、排気ポート４４から排気されたガスを受け取り、その排気されたガスをポンプシステムに接続されたライン６８へと導く。チャネル４８、５８、６０のそれぞれは、約０．２５インチ×約０．１インチの断面の流動領域を有することが可能である。
【００３１】
図３Ｃを参照すると、パージガスは、上部反射プレート５４の上面で、外周上約７５°の円弧に沿って反射キャビティ内へ導入されることが可能である。その結果、パージガス４２の略層流は、上面反射プレート５４の１０個の光ポートのうち、９個（光ポート２５、２６、２７を含む）を含む約７５°の扇形７０に相当する上部反射プレート５４の上面領域に渡って拡張する。上述の実施形態において、高い熱伝導度のパージガス４２（例えば、ヘリウムまたは水素）は、急速加熱処理の冷却段階（例えば、図２の時間ｔ_１〜ｔ_２）中に基板１２と反射アセンブリ２２との間の熱伝導度を高める。
【００３２】
パージガスおよび処理ガスの流速は、図４に示される流体制御システムによって制御される。流体質量コントローラ８０は、ガス入力３０を介して処理チャンバー１４内へ流入するガスの流動を調節するために用いられ、圧力トランジューサ８２および圧力制御バルブ８４は、ガスがガス出力３２を介して処理チャンバー１４から除去される速度を調整するために用いられる。パージガスは、フィルタ８６に接続された入力４６を介して、反射キャビティ１５内に導入される。流体質量コントローラ８８は、パージガス注入器４０を介して反射キャビティ１５内に流入するガスの流動を調整するために使用される。可調整流動リストリクタ９０および流体質量コントローラ９２は、パージガスが反射キャビティ１５から除去される速度を調整するために使用される。基板１２上方で、反射キャビティ１５の処理領域内へ移動するパージガスを減少させるために、パージガスが反射キャビティ１５内へ導入される速度が、反射キャビティ１５から除去される速度と実質的に同一となるまで、可調整流動リストリクタ９０が調整される。電磁シャットオフバルブ９４および９６は、反射キャビティ１５を介したパージガスの流動を追加的に制御する。８インチ（２００ｍｍ）シリコンウェーハの処理用に設計されたシステムにおいて、パージガスは反射キャビティ１５を介して約９〜２０ｓｌｍ（分毎の標準リットル）で流動可能である。ただし、パージガス流速は、反射キャビティ１５内部の圧力およびポンプシステム３４のポンプ容量によって変化する可能性がある。反射キャビティ１５および処理チャンバー１４の内部圧力は、約８５０ｔｏｒｒである。
【００３３】
パージガスは、種々の異なる方法で反射キャビティ１５内へ供給可能である。
【００３４】
図５を参照すると、１つの実施形態において、反射器プレートアセンブリ１００は、上部反射プレート１０４の全外周の異なる位置からパージガス１０２を導入するように設計されていることを除いて、反射器プレートアセンブリ２２の構造に類似している。パージガス１０２は、上部反射プレート１０４を通して延在する排気ポート１０６を介して除去される。パージガス１０２は、反射器プレート１０２の中心から約４．３３インチの位置で導入されることが可能であり、排気ポート１０６は、反射プレート１０２の中心から約２インチの位置に配置可能である。本実施形態は、光ポート１０８が、反射プレート１０２の全表面に渡って配置された場合に使用可能である。
【００３５】
図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、別の実施形態においても、反射器プレートアセンブリ１１０は、反射器プレートアセンブリ２２の構造に類似しているが、反射器プレートアセンブリ１１０が、ディフレクタプレート１１２および上部反射プレート１１４を含む点で異なる。ディフレクタプレート１１２および上部反射プレート１１４は、光ポート１２４および１２６を包囲する円周領域１１６〜１２２においてパージガスの略層流を生成する流動チャンネルを共に画定する。パージガスは、上部反射器プレート１１４の垂直環状チャンネル１２８および１２９を介して流動する。パージガスは、上部反射器プレート１１４を通じて延在する排気ポート（図示せず）を介して排気されてもよい。つまり、パージガスは、反射器プレートアセンブリ１１０の円周端上で選択的に排気されることが可能である。本実施形態において、ディフレクタプレート１１２の上面は、基板の裏面に対向する主光反射面として作用する。ディフレクタプレート１１２は、上部反射プレート１１４の上部に０．０１インチ（０、２５ｍｍ）の間隔を置いて配置される。
【００３６】
図７Ａおよび図７Ｂを参照すると、別の実施形態において、反射器プレートアセンブリ１３０は、パージガスの流動を受け取る垂直チャネル１３２と、反射プレート１４０を通して延在する光ポート１３８上において、矩形のカーテンとしてパージガス１３６の流動の向きを変える、スロット形状ディフレクタ１３４とを含む。スロット形状排気ディフレクタ１４２は、パージガス１３６を除去するために用いられる。ディフレクタ１３４は、反射プレート１４０の上面上に０．０１インチ（０、２５ｍｍ）の間隔を置いて配置される。
【００３７】
図８Ａおよび図８Ｂに示すように、別の実施形態において、反射器プレートアセンブリ１５０は、共通ガスプレナム１５８に結合され、次いで、パージガス入力１６０に結合された複数のオリフィス１５２、１５４、１５６を含んでもよい。オリフィス１５２〜１５６は、基板１２と反射器プレートアセンブリ１５０との間に画定された反射キャビティ内にパージガスを均一に導入するように配置されている。オリフィス１５２〜１５６は、同様に、基板によって放射された光を温度プローブ２４が受ける時に介する、光ポート２５〜２７を収容するように配置されている。動作時に、パージガスは、約９〜２０ｓｌｍの流速で反射キャビティ内に流入するが、概して、その流速は、支持構造２０から基板１２を浮かせるのに要する速度未満にするべきである。パージガスは、ポンプシステム１６２によって排気ポート１６４を介して、反射キャビティから除去される。
【００３８】
別のパージガス吐き出しシステムを考えることも可能である。例えば、参照として本明細書に包含される、１９９９年４月７日に提出された米国出願番号第０９／２８７，９４７、発明の名称「Ａｐｐａｒａｔｕｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　（半導体基板を熱処理する装置および方法）」で説明されている循環ガス吐き出しシステムによって、パージガスの供給が可能である。
【００３９】
別の実施形態も本請求項の範囲内である。
【００４０】
例えば、単一で比較的低温の熱供給源（例えば、反射器プレートアセンブリ２２）を参照して上述の実施形態を説明したが、別の熱供給源構成も可能である。熱供給源は、熱処理システム１０内の異なる位置に配置されてもよい。２つまたはそれ以上の個別の熱供給源が提供可能である。熱供給源は、比較的高温の表面を含むことが可能であり、基板の温度応答を制御するために、種々のパージガスを、熱供給源と基板との間に画定された反射キャビティ１５内に供給することが可能である。実施形態の中には、熱供給源の温度が熱処理中に変化し、基板の温度応答を改善することが可能なものもある。
【００４１】
別の実施形態において、熱処理中に熱供給源の放射率を変化させることによって、処理システム１０内の基板と熱供給源との間の熱伝達速度を最適化することが可能である。例えば、反射器プレートアセンブリ２２の上面は、コーティングを挟んで印加される電圧を変えることによって、選択的に変化可能な反射率を有するエレクトロクロミックコーティングを含むことが可能である。動作時に、反射器プレートアセンブリ２２の反射率は、熱処理の加熱段階中に最大にされ、冷却段階中に最小にされることが可能である。このように、基板と反射器プレートアセンブリ２２との間の熱伝達速度は、加熱段階中に減速され、冷却段階中に加速されることが可能である。
【００４２】
更に別の実施形態において、処理システム１０内の基板と熱供給源との間の熱伝達速度は、熱供給源から基板が離れている距離を変化させることによって、最適化可能である。例えば、支持構造２０は、反射器プレートアセンブリ２２の上面に対して相対的に上下に移動するように構成されてもよい。動作時に、１つの実施形態において、支持構造２０は、熱処理の過熱段階中に反射器プレートアセンブリ２２から相対的に遠ざけた位置に基板を配置し、熱処理の冷却段階中に反射器プレートアセンブリ２２から相対的に近づけた位置に基板を配置してもよい。このように、基板と反射器プレートアセンブリ２２との間の熱伝導度を、熱処理の加熱段階中に小さくし、熱処理の冷却段階中に大きくして、基板上に作成される素子の特性を改善することが可能である。
【００４３】
別の実施形態において、処理システム１０内の基板と熱供給源との間の熱伝達速度は、熱処理中に基板と熱供給源との間のパージガスの圧力を変化させることによって、最適化することが可能である。例えば、熱処理の加熱段階中に、パージガスの圧力を大気より低い圧力（例えば１〜５Ｔｏｒｒ）まで下降させ、熱処理の冷却段階中に、パージガスの圧力を大気圧（７７０Ｔｏｒｒ）まで上昇させることが可能である。熱処理中に、パージガスの組成を替えることも可能である。例えば、加熱段階中は、パージガスは窒素からなり、冷却段階中はヘリウムからなることが可能である。
【００４４】
急速熱処理中に基板の温度応答を制御するためのシステムおよび方法が開示された。本発明により、改善された物理的特徴および動作特性を有する特定の素子（例えば、極浅接合トランジスタ）が形成可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
反射器プレートアセンブリおよび流体注入器を含む、熱処理システムの側面部における概略図である。
【図２Ａ】
基板を処理する方法のフローにおける概略図である。
【図２Ｂ】
ヘリウムパージガスを用いたスパイクアニール熱処理中、および窒素パージガスを用いたスパイクアニール熱処理中の経過時間における基板の温度のプロット図である。
【図２Ｃ】
最適化された冷却処理に対して基板の温度の均一性を示す、グラフ図である。
【図３Ａ】
図１に示された反射器プレートアセンブリおよび流体注入器の分解図である。
【図３Ｂ】
図１に示された反射器プレートアセンブリおよび流体注入器の分解図である。
【図３Ｃ】
図１の反射器プレートアセンブリおよび流体注入器の上面における、破線を用いて底部反射プレートの特徴を示した概略図である。
【図４】
図１の基板処理システムにおけるパージガス制御システムの概略図である。
【図５】
代替の流体注入器の上面における概略図である。
【図６Ａ】
代替の流体注入器の側面部における概略図である。
【図６Ｂ】
代替の流体注入器の上面部における概略図である。
【図７Ａ】
代替の流体注入器の側面部における概略図である。
【図７Ｂ】
代替の流体注入器の上面部における概略図である。
【図８Ａ】
別の流体注入器の側面部における概略図である。
【図８Ｂ】
別の流体注入器の上面部における概略図である。
【符号の説明】
１０…熱処理システム、基板処理システム、１２…基板、１４…処理チャンバー、１５…反射キャビティ、１６…水冷加熱ランプアセンブリ、１８…石英ウィンドウ、２０…回転可能支持構造、２２…反射器プレートアセンブリ、２３…水冷基部、２４…温度プローブ、２５、２６、２７…光ポート、２６…コントローラ、３０…ガス入力、３２…ガス出力、３４…ポンプシステム、３９…処理ガス、４０…パージ流体注入器、４２…パージガス、４４…排気ポート、４６…パージガス入力、４８…チャネル、５０…ディフェクタ、５２…ディフェクタリング、反射器リング、５４…上部反射器プレート、５６…底部反射器プレート、５８…水平チャネル、６２…周辺壁、６４…下側周辺端部、６６…垂直チャネル、６８…ライン、８０…流体質量コントローラ、８２…圧力トランジューサ、８４…圧力制御バルブ、８６…フィルタ、８８、９２…流体質量コントローラ、９０…可調整流動リストリクタ、９４、９６…電磁シャットオフバルブ、１００…反射器プレートアセンブリ、１０２…パージガス、１０４…上部反射プレート、１０６…排気ポート、１０８…光ポート、１１０…反射器プレートアセンブリ、１１２…ディフレクタプレート、１１４…上部反射アセンブリ、１１６、１１８、１２０、１２２…外周領域、１２４、１２６…光ポート、１２８、１２９…垂直環状チャネル、１３０…反射器プレートアセンブリ、１３２…垂直チャネル、１３４…スロット形状ディフレクタ、１３６…パージガス、１３８…光ポート、１４０…反射プレート、１４２…スロット形状排気ポート、１５０…反射器プレートアセンブリ、１５２、１５４、１５６…オリフェス、１６４…排気ポート。[0001]
Cross reference to related applications
[0002]
This application is a continuation-in-part of U.S. application Ser. No. 09 / 350,415, filed Jul. 8, 1999, and U.S. application Ser. No. 08 / 884,192, filed Jul. 30, 1997. Related to Both applications are incorporated herein by reference.
[0003]
Background of the Invention
[0004]
The present invention relates to a system and a method for heat treating a semiconductor substrate.
[0005]
Substrate processing systems are used to produce semiconductor logic and memory devices, flat panel displays, CD-ROMs, and other devices. During processing, such substrates may be subjected to chemical vapor deposition (CVD) and rapid thermal processing (RTP). RTP includes, for example, rapid thermal annealing (RTA), rapid thermal cleaning (RTC), rapid thermal chemical vapor deposition (RTCVD), rapid thermal oxidation (RTO), rapid thermal nitridation (RTN). Typically, RTP systems include a heating element formed from one or more lamps that radiantly heat the substrate through a light transmissive window. The RTP system may further include one or more different light components, such as a light reflecting surface opposite the back surface of the substrate, and one or more light detectors that measure the temperature of the substrate during processing. . Many rapid heating processes require precise control of the substrate temperature over time.
[0006]
Summary of the Invention
[0007]
The invention features a heat treatment method wherein the temperature response of the substrate can be controlled during the heating step, the cooling step, or both. In this manner, the amount of heat used in the substrate is reduced, and the characteristics and performance of devices formed on the substrate are improved. In particular, the present invention has made it possible to control the temperature response of the substrate by controlling the rate of heat transfer between the substrate and a heat source (eg, a water-cooled reflector plate assembly) during the heat treatment.
[0008]
In one aspect, the substrate is heated according to a thermal schedule, during which the rate of heat transfer between the substrate and the heat source in the thermal processing system changes.
[0009]
The advantages of the present invention are as follows. The faster the substrate is heated or cooled in the heat treatment system, the better the result of a particular heat treatment method (eg, a method of forming a very shallow junction). By changing the rate of heat transfer between the substrate and the heat source in the processing chamber during heat treatment, the heating and / or cooling steps are optimized to improve the properties of the device being fabricated It becomes possible. Temperature uniformity on the substrate is also improved.
[0010]
Other features and advantages will be apparent from the claims and the following description, including the drawings.
[0011]
Detailed description
[0012]
Referring to FIG. 1, a system 10 for processing a substrate 12 includes a processing chamber 14 that is radiatively heated through a quartz window 18 by a water-cooled heating lamp assembly 16. The outer peripheral edge of the substrate 12 is supported by a rotatable support structure 20 that can rotate at a speed of up to about 300 rpm (rotations / minute). Beneath the substrate 12 is a reflector plate assembly 22 that functions as a heat source and has a light reflecting surface facing the backside of the substrate 12 to enhance the radiation efficiency of the substrate 12. The reflective cavity 15 is formed between the substrate 12 and the upper surface of the reflector plate assembly 22. In a system designed to process 8 inch (200 mm) silicon wafers, the diameter of the reflector plate assembly is about 8.9 inches, and the separation between the substrate 12 and the top surface of the reflector plate assembly 22 is about 5 The distance between the substrate 12 and the quartz window 18 is about 25 mm. The reflector plate assembly 22 is mounted on a water-cooled base 23 which is typically maintained at about 23 ° C.
[0013]
The temperature of the local area of the substrate 12 is measured by a plurality of temperature probes 24 arranged to measure the substrate temperature at different radial positions on the substrate. Temperature probe 24 receives light from the interior of the processing chamber via

light ports

25, 26, 27 that extend to the top surface of reflector plate assembly 22. Although the processing system 10 can include a total of ten temperature probes, only three probes are shown in FIG. More generally, five temperature probes are used for a 200 mm substrate, and seven probes are used for a 300 mm substrate.
[0014]
At the surface of the reflector plate, each light port can have a diameter of about 0.08 inches. The sapphire light pipe distributes the light received by the light ports to respective light detectors (eg, pyrometers). This light detector is used to determine the temperature of a local area of the substrate 12. Temperature measurements from the photodetectors are received by a controller 28, which controls the radiant output of the heating lamp assembly 16 and, as a result of its feedback loop, the processing system's ability to heat the substrate 12 uniformly. Be improved. Such a control system is described in US Pat. No. 5,755,511, assigned to the assignee of the present invention, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.
[0015]
As shown in FIG. 1, in some heat treatments, a processing gas 39 is supplied into the processing chamber 14 via a gas input 30. The processing gas flows over the top surface of the substrate 12 and reacts with the heated substrate to form, for example, an oxide layer or a nitride layer. Excess processing gases and any volatile reaction by-products (such as oxides released by the substrate) are recovered by the pump system 34 from the processing chamber 14 via the gas output 32. In another heat treatment, a purge gas (eg, nitrogen) may be supplied into the heat treatment chamber 14 via the gas input 30. The purge gas flows over the top surface of substrate 12 and carries away volatile contaminants in processing chamber 14.
[0016]
In the reflective cavity 15, the purge fluid injector 40 creates a substantially laminar flow of the purge gas 42 over the upper surface of the reflector plate assembly 22. Purge gas 42 is removed from reflective cavity 15 via exhaust port 44. The exhaust port 44 has a diameter of about 0.375 inches and is positionable about 2 inches from the central axis of the reflector plate assembly 22. In operation, a purge gas is injected into the purge gas input 46 and dispersed through the plurality of channels 48 at the reflector plate assembly 22. The purge gas then flows toward a deflector 50 spaced, for example, about 0.01 inches (0.25 mm) above the top surface of the reflector plate assembly 22 to create a generally laminar flow of the purge gas 42. .
[0017]
Referring to FIGS. 2A and 2B, in one embodiment, an ultra-shallow junction is formed in a doped semiconductor substrate as follows. The substrate is mounted in heat treatment chamber 14 (step 200). A first purge gas (eg, nitrogen) is supplied into the heat treatment chamber 14 via the gas input 30 and / or into the reflective cavity 15 via the output of the purge fluid injector 40 (step 202). . The substrate is heated by the heating lamp assembly 16 to an initial temperature of about 700C (step 204). Heat lamp assembly 16 is operated at time t₀Then, the substrate starts to be heated to a target peak temperature, for example, about 1000 ° C. or 1100 ° C. (Step 206). The substrate is (time t₁After being heated to a temperature that approximately matches the target peak temperature, the radiant energy provided by the heating lamp assembly 16 is reduced and a second purge gas (eg, helium) is supplied by the purge fluid injector 40 to the reflective cavity 15. (Step 208). In practice, the injection of the helium purge gas may be started immediately before the target peak temperature is reached. Thereby, the reflective cavity 15 defined between the substrate and the reflective assembly 22 is filled with the second purge gas by the time the substrate is heated to reach the target temperature. If the first purge gas was supplied by the purge fluid injector 40 during the heating phase, the supply of the purge gas would be at time t₁At or time t₁Before and after, the first purge gas is switched to the second purge gas. After the substrate has cooled below the threshold temperature (eg, below 800 ° C.), the substrate is removed from the thermal processing chamber 14 (step 210).
[0018]
A second purge gas can be supplied to the reflective cavity 15 about 1-3 seconds before reaching the target temperature. The flow of the second purge gas may be initiated about 1-2 seconds before reaching the target temperature, or the flow of the second purge gas may be started about 1-1.5 seconds before the temperature of the target is reached. Ideal. The actual time is selected by the system used to introduce the second purge gas into the reflective cavity (see FIG. 4).
[0019]
As the flow of the first purge gas stops and is discharged from the reflective cavity via the exhaust port 44, if the first gas is present in the reflective cavity 15, the gas is switched to the second purge gas.
[0020]
The second purge gas may be introduced into the reflective cavity 15 during any cooling phase of the heat treatment. For example, in another embodiment, the second purge gas may be supplied into the reflective cavity 15 during a cooling phase after a heat soak cycle of the heat treatment.
[0021]
The inventor has optimized the heating and / or cooling stages, or both, by changing the rate of heat transfer between the substrate and the heat source in the processing chamber during the heat treatment, and Improved.
[0022]
For example, by appropriately selecting the purge gas provided between the substrate 12 and the heat source (eg, the cooling reflector plate assembly 22) in the processing system 10, a substantial acceleration of the rate at which the substrate is cooled can be achieved. It is possible. In one embodiment, the inventors have discovered that a purge gas having relatively high thermal conductivity (eg, helium, hydrogen, or a mixture thereof) accelerates the cooling rate of a substrate, thereby allowing a particular device (eg, an extreme It has improved the operating characteristics of the transistor (shallow junction transistor) or the yield of processing. For example, the substrate cooling rate is substantially higher when helium gas is supplied into the reflective cavity 15 than when a purge gas (for example, nitrogen) having low thermal conductivity is used. As shown in FIG. 2B, the temperature of the substrate is set to time t when helium purge gas is used.₁And t₂(About 6 seconds), the temperature drops from about 1100 ° C. to 650 ° C., but when nitrogen purge gas is used, it drops only to about 800 ° C. in the same time. In another aspect, the present inventors provide a purge gas having a relatively low thermal conductivity (eg, nitrogen, argon, xenon, or a mixture of two or more thereof) into the reflective cavity 15 to provide the substrate with a substrate having a relatively low thermal conductivity. By reducing the thermal coupling between substrate 12 and reflector plate assembly 22, during the heating phase of the heat treatment (eg, time t in FIG. 2B).₀And t₁In between), the speed at which the temperature of the substrate rises was increased. Therefore, by properly selecting the purge gas supplied between the substrate and the heat source during the heating and cooling phases of the heat treatment, the total heat usage, ie, the temperature of the substrate T (t) over a period of time, can be reduced. It is possible to reduce the integral ΔT (t) · dt. This improves the properties of the particular device made by such a heat treatment.
[0023]
The rate at which the second purge gas (eg, helium) is evacuated from the reflective cavity {standard liters per minute (slm)} is desirably optimized for the most efficient cooling rate. If the pumping speed is too fast, the helium purge gas will flow out of the chamber too quickly, preventing effective thermal coupling between the substrate and the reflector plate assembly. On the other hand, if the pumping speed is too slow, the time required for the helium purge gas to reach the central portion of the substrate becomes longer, and as a result, the outer peripheral portion of the substrate is cooled more quickly. This results in significant thermal stress, which can affect the substrate.
[0024]
Advantageously, the rate at which the second purge gas is injected into the reflective cavity is substantially the same as the rate at which the second purge gas is exhausted from the reflective cavity. This has been found by the present inventors, whereby the temperature gradient of the substrate is substantially reduced during the cooling operation, and the formation of defects on the substrate is suppressed.
[0025]
The inventor has also found that during cooling, it is advantageous to have the second purge gas flow into the reflective cavity as quickly as possible, for example during a spike anneal operation. This ensures that the maximum instantaneous descent rate, Max dT / dt (° C./s) and the time that the substrate is at target temperature are optimized to obtain ultra shallow junction formation.
[0026]
As shown in Table 1, when the injection speed and the exhaust speed of the second purge gas are substantially the same (operation F), the temperature uniformity on the substrate {maximum Δ (° C.)} is optimized during cooling. Is done. The maximum Δ data indicates the difference between the maximum and minimum temperature values read by five light detectors that measure the temperature of the substrate at five different radial positions. As can be seen, when the velocity of the inflowing purge gas is substantially the same as the velocity of the outflowing purge gas, the maximum Δ is lowest and therefore the temperature uniformity on the substrate is at its best.
[0027]
This data also shows that when the flow rate of the second purge gas is relatively high (operation F), the maximum instantaneous descent rate and the time during which the substrate is at the target temperature {time> 1000 ° C. (s)} are optimized. It also shows that That is, when the purge gas flow rate in the reflection cavity is relatively high, the time during which the substrate is at the target temperature is the shortest.
[0028]
[Table 1]

[0029]
In FIG. 2C, specific data for runs AF are compared graphically. Curves AA and AB show the temperature values read by the photodetectors at the center and at the end of the substrate in Run A, respectively. On the other hand, curves FA and FB indicate the temperature values read by the photodetectors at the center and the end of the substrate in operation F, respectively. Curves AC and FC show the temperature uniformity (MaxΔ) on the substrate in runs A and F, respectively. As described above, when the second purge gas inflow speed is substantially the same as the second purge gas outflow speed, the temperature uniformity is optimized.
[0030]
Referring to FIGS. 3A and 3B, in one embodiment of the purge reflector 40, the reflector plate assembly 22 includes a deflector ring 52, a top reflector plate 54, and a bottom reflector plate 56. The bottom reflector plate 56 has a horizontal channel 58 that receives the purge gas from the input 46 and distributes it to a vertical channel 60. The vertical channels 60 communicate with a plurality of horizontal channels 48 of the top reflector plate 54. Horizontal channels 48 distribute the purge gas to different locations on the outer periphery of upper reflector plate 54. The deflector ring 52 includes a peripheral wall 62 on the lower peripheral edge 64 of the bottom reflector plate 56 and, together with the peripheral wall of the top reflector plate 54, defines a 0.0275 inch wide vertical channel. The vertical channels direct the flow of purge gas to the deflector 50 and create a substantially laminar flow across the upper surface of the reflector plate 54. Purge gas and any volatile contaminants carried away are removed from the processing chamber via exhaust port 44. The horizontal channel 66 of the bottom reflector plate 56 receives the exhausted gas from the exhaust port 44 and directs the exhausted gas to a line 68 connected to a pump system. Each of the

channels

48, 58, 60 may have a flow area of about 0.25 inch by about 0.1 inch cross section.
[0031]
Referring to FIG. 3C, the purge gas can be introduced into the reflective cavity along an arc of about 75 ° on the outer circumference at the upper surface of the upper reflective plate 54. As a result, the substantially laminar flow of the purge gas 42 has an upper reflection corresponding to a sector 70 of about 75 ° including nine (including the

optical ports

25, 26 and 27) out of the ten optical ports of the upper reflecting plate 54. It extends over the upper surface area of the plate 54. In the above-described embodiment, the high thermal conductivity purge gas 42 (eg, helium or hydrogen) is applied to the cooling phase of the rapid heating process (eg, time t₁~ T₂) To increase the thermal conductivity between the substrate 12 and the reflective assembly 22.
[0032]
The flow rates of the purge gas and the processing gas are controlled by the fluid control system shown in FIG. A fluid mass controller 80 is used to regulate the flow of gas flowing into the processing chamber 14 via the gas input 30, and a pressure transducer 82 and a pressure control valve 84 control the flow of gas through the gas output 32. It is used to adjust the rate of removal from the chamber 14. Purge gas is introduced into reflective cavity 15 via input 46 connected to filter 86. Fluid mass controller 88 is used to regulate the flow of gas flowing into reflective cavity 15 via purge gas injector 40. Adjustable flow restrictor 90 and fluid mass controller 92 are used to adjust the rate at which purge gas is removed from reflective cavity 15. Above the substrate 12, the rate at which the purge gas is introduced into the reflective cavity 15 is substantially the same as the rate at which it is removed from the reflective cavity 15 to reduce the amount of purge gas traveling into the processing region of the reflective cavity 15. Until then, the adjustable flow restrictor 90 is adjusted. Electromagnetic shut-off

valves

94 and 96 additionally control the flow of purge gas through reflective cavity 15. In a system designed for processing 8 inch (200 mm) silicon wafers, the purge gas can flow through the reflective cavity 15 at about 9-20 slm (standard liters per minute). However, the purge gas flow rate may vary depending on the pressure inside the reflective cavity 15 and the pump capacity of the pump system 34. The internal pressure of the reflection cavity 15 and the processing chamber 14 is about 850 torr.
[0033]
The purge gas can be supplied into the reflective cavity 15 in various different ways.
[0034]
Referring to FIG. 5, in one embodiment, the reflector plate assembly 100 is designed to introduce the purge gas 102 from different locations around the entire outer periphery of the upper reflector plate 104. It is similar to the structure of FIG. The purge gas 102 is removed via an exhaust port 106 extending through the upper reflector plate 104. The purge gas 102 can be introduced at about 4.33 inches from the center of the reflector plate 102 and the exhaust port 106 can be located at about 2 inches from the center of the reflector plate 102. This embodiment can be used when the optical port 108 is arranged over the entire surface of the reflection plate 102.
[0035]
Referring to FIGS. 6A and 6B, in another embodiment, the reflector plate assembly 110 is similar to the structure of the reflector plate assembly 22 except that the reflector plate assembly 110 includes a deflector plate 112 and a top reflector. It differs in that it includes a plate 114. Deflector plate 112 and top reflector plate 114 together define a flow channel that creates a substantially laminar flow of purge gas in circumferential regions 116-122 surrounding

light ports

124 and 126. The purge gas flows through the vertical

annular channels

128 and 129 of the upper reflector plate 114. The purge gas may be exhausted via an exhaust port (not shown) extending through the upper reflector plate 114. That is, the purge gas can be selectively evacuated on the circumferential edge of the reflector plate assembly 110. In the present embodiment, the upper surface of the deflector plate 112 functions as a main light reflecting surface facing the back surface of the substrate. The deflector plate 112 is arranged above the upper reflecting plate 114 with a spacing of 0.01 inch (0, 25 mm).
[0036]
Referring to FIGS. 7A and 7B, in another embodiment, the reflector plate assembly 130 includes a vertical channel 132 for receiving a flow of purge gas and a purge gas as a rectangular curtain on an optical port 138 extending through the reflector plate 140. 136, and a slot-shaped deflector 134 that redirects the flow. The slot-shaped exhaust deflector 142 is used to remove the purge gas 136. The deflectors 134 are arranged on the upper surface of the reflection plate 140 at intervals of 0.01 inches (0, 25 mm).
[0037]
8A and 8B, in another embodiment, the reflector plate assembly 150 may include a plurality of

orifices

152, 154, 156 coupled to a common gas plenum 158 and then coupled to a purge gas input 160. Good. Orifices 152-156 are arranged to uniformly introduce a purge gas into a reflective cavity defined between substrate 12 and reflector plate assembly 150. Orifices 152-156 are similarly arranged to accommodate optical ports 25-27 through which the temperature probe 24 receives light emitted by the substrate. In operation, the purge gas flows into the reflective cavity at a flow rate of about 9-20 slm, but generally the flow rate should be less than the speed required to lift the substrate 12 from the support structure 20. Purge gas is removed from the reflective cavity by pump system 162 via exhaust port 164.
[0038]
It is also possible to consider another purge gas discharge system. For example, U.S. application Ser. No. 09 / 287,947, filed Apr. 7, 1999, entitled "Apparatus and Methods, for Thermal Therapeutic a Substrate," filed Apr. 7, 1999, which is hereby incorporated by reference. Apparatus and Method), the purge gas can be supplied by the circulating gas discharge system.
[0039]
Other embodiments are within the scope of the claims.
[0040]
For example, while the above embodiments have been described with reference to a single, relatively cool, heat source (eg, reflector plate assembly 22), other heat source configurations are possible. The heat sources may be located at different locations within the heat treatment system 10. Two or more separate heat sources can be provided. The heat source may include a relatively hot surface, and various purge gases may be introduced into the reflective cavity 15 defined between the heat source and the substrate to control the temperature response of the substrate. It is possible to supply. In some embodiments, the temperature of the heat source may change during the heat treatment to improve the temperature response of the substrate.
[0041]
In another embodiment, it is possible to optimize the rate of heat transfer between the substrate and the heat source in the processing system 10 by changing the emissivity of the heat source during the heat treatment. For example, the top surface of the reflector plate assembly 22 can include an electrochromic coating having a reflectivity that can be selectively varied by changing the voltage applied across the coating. In operation, the reflectivity of the reflector plate assembly 22 can be maximized during the heating phase of the heat treatment and minimized during the cooling phase. In this manner, the rate of heat transfer between the substrate and the reflector plate assembly 22 can be reduced during the heating phase and accelerated during the cooling phase.
[0042]
In yet another embodiment, the rate of heat transfer between the substrate and the heat source in the processing system 10 can be optimized by varying the distance that the substrate is separated from the heat source. For example, support structure 20 may be configured to move up and down relative to the top surface of reflector plate assembly 22. In operation, in one embodiment, the support structure 20 places the substrate relatively far away from the reflector plate assembly 22 during the heating phase of the heat treatment, and removes the substrate from the reflector plate assembly 22 during the cooling phase of the heat treatment. The substrate may be arranged at a relatively close position. Thus, the thermal conductivity between the substrate and the reflector plate assembly 22 is reduced during the heating phase of the heat treatment and increased during the cooling phase of the heat treatment to improve the properties of the devices fabricated on the substrate. It is possible to do.
[0043]
In another embodiment, the rate of heat transfer between the substrate and the heat source in the processing system 10 is optimized by changing the pressure of the purge gas between the substrate and the heat source during the heat treatment. Is possible. For example, during the heating phase of the heat treatment, the pressure of the purge gas can be reduced to a pressure lower than the atmosphere (eg, 1-5 Torr), and during the cooling phase of the heat treatment, the pressure of the purge gas can be raised to atmospheric pressure (770 Torr). is there. It is also possible to change the composition of the purge gas during the heat treatment. For example, during the heating phase, the purge gas may consist of nitrogen and during the cooling phase may consist of helium.
[0044]
A system and method for controlling the temperature response of a substrate during a rapid thermal process has been disclosed. The present invention allows for the formation of certain devices (eg, ultra-shallow junction transistors) with improved physical characteristics and operating characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 2 is a schematic view of a side view of a heat treatment system including a reflector plate assembly and a fluid injector.
FIG. 2A
FIG. 3 is a schematic view of a flow of a method for processing a substrate.
FIG. 2B
FIG. 4 is a plot diagram of the temperature of the substrate during an elapsed time during a spike annealing heat treatment using a helium purge gas and during a spike annealing heat treatment using a nitrogen purge gas.
FIG. 2C
FIG. 4 is a graph illustrating the temperature uniformity of a substrate for an optimized cooling process.
FIG. 3A
FIG. 2 is an exploded view of the reflector plate assembly and the fluid injector shown in FIG.
FIG. 3B
FIG. 2 is an exploded view of the reflector plate assembly and the fluid injector shown in FIG.
FIG. 3C
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating features of the bottom reflector plate using dashed lines on the reflector plate assembly and fluid injector top surface of FIG. 1.
FIG. 4
FIG. 2 is a schematic diagram of a purge gas control system in the substrate processing system of FIG.
FIG. 5
FIG. 4 is a schematic view on the top of an alternative fluid injector.
FIG. 6A
FIG. 6 is a schematic view of a side view of an alternative fluid injector.
FIG. 6B
FIG. 4 is a schematic view of a top portion of an alternative fluid injector.
FIG. 7A
FIG. 6 is a schematic view of a side view of an alternative fluid injector.
FIG. 7B
FIG. 4 is a schematic view of a top portion of an alternative fluid injector.
FIG. 8A
FIG. 4 is a schematic view of a side portion of another fluid injector.
FIG. 8B
FIG. 4 is a schematic view of a top surface of another fluid injector.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 heat treatment system, substrate processing system, 12 substrate, 14 processing chamber, 15 reflection cavity, 16 water-cooled heating lamp assembly, 18 quartz window, 20 rotatable support structure, 22 reflector plate assembly, 23 ... water-cooled base, 24 ... temperature probe, 25, 26, 27 ... optical port, 26 ... controller, 30 ... gas input, 32 ... gas output, 34 ... pump system, 39 ... process gas, 40 ... purge fluid injector, 42 ... Purge gas, 44 ... Exhaust port, 46 ... Purge gas input, 48 ... Channel, 50 ... Defector, 52 ... Defector ring, reflector ring, 54 ... Top reflector plate, 56 ... Bottom reflector plate, 58 ... Horizontal channel, 62 ... peripheral wall, 64 ... lower peripheral end, 66 ... vertical channel, 68 ... line, 80 ... flow Mass controller, 82 pressure transducer, 84 pressure control valve, 86 filter, 88, 92 fluid mass controller, 90 adjustable flow restrictor, 94, 96 electromagnetic shut-off valve, 100 reflector plate assembly , 102 purge gas, 104 upper reflection plate, 106 exhaust port, 108 optical port, 110 reflector plate assembly, 112 deflector plate, 114 upper reflection assembly, 116, 118, 120, 122 peripheral area, 124, 126 ... optical ports, 128, 129 ... vertical annular channel, 130 ... reflector plate assembly, 132 ... vertical channel, 134 ... slot-shaped deflector, 136 ... purge gas, 138 ... optical port, 140 ... reflective plate, 142 ... slot shape And exhaust ports, 150 ... reflector plate assembly, 152, 154, 156 ... Orifesu, 164 ... exhaust port.

Claims

A method of heat treating a substrate in a heat treatment system,
Heating the substrate according to a thermal schedule;
Changing the rate of heat transfer between the substrate and a heat source in the heat treatment system during the heat schedule;
A method that includes

The method of claim 1, wherein the heat transfer rate is changed by changing a thermal conductivity between the substrate and the heat source.

3. The method of claim 2, wherein the thermal conductivity is changed by changing a property of a heat transfer medium between the substrate and the heat source.

4. The method of claim 3, wherein the heat transfer medium includes a purge gas, and wherein the thermal conductivity is changed by changing a composition of the purge gas.

4. The method of claim 3, wherein the heat transfer medium includes a purge gas, and the thermal conductivity is changed by changing a pressure of the purge gas between the substrate and the heat source.

2. The heat source includes a relatively cool surface within a processing chamber, wherein thermal conductivity between the substrate and the relatively cool surface increases during a cooling phase of the thermal schedule. the method of.

7. The method of claim 6, wherein said thermal conductivity is increased by providing a gas having a relatively high thermal conductivity between said substrate and said relatively cold surface.

A first purge gas is provided between the substrate and the relatively cold surface during a heating phase of the thermal schedule, and a second purge gas is provided between the substrate and the relatively low temperature phase during a cooling phase of the thermal schedule. The method of claim 6, wherein the second purge gas is provided between a cold surface and the second purge gas and has a greater thermal conductivity than the first purge gas.

9. The method of claim 8, wherein said first purge gas is selected from nitrogen, argon, xenon, and said second purge gas is selected from helium, hydrogen.

The method of claim 1, wherein the heat transfer rate is changed by changing an emissivity of a surface of the heat source.

The method of claim 1, wherein the heat transfer rate is changed by changing a distance between the substrate and the heat source.

A method of heat treating a substrate in a heat treatment system,
Supplying a first purge gas into the heat treatment system;
Heating the substrate according to a thermal schedule;
Supplying a second purge gas different from the first purge gas into the heat treatment system;
A method that includes

13. The method of claim 12, wherein the second purge gas is provided into the heat treatment system during a cooling phase of the thermal schedule.

14. The method of claim 13, wherein the second purge gas is provided in the heat treatment system at or before or after the temperature of the substrate is heated to a target peak temperature.

15. The method of claim 14, wherein the second purge gas is provided into the heat treatment system while the temperature of the substrate is decreasing.

15. The method of claim 14, wherein the first purge gas is provided into the heat treatment system during a heating phase of the thermal schedule.

13. The method of claim 12, wherein the thermal conductivity of the second purge gas is greater than the thermal conductivity of the first purge gas.

The method of claim 17, wherein the second purge gas comprises helium or hydrogen, or both.

18. The method of claim 17, wherein said first purge gas comprises nitrogen and said second purge gas comprises helium.

13. The method of claim 12, wherein the second purge gas is provided in the heat treatment system between the surface of the substrate and a heat source in the heat treatment system.

The first purge gas is supplied into the heat treatment system between the surface of the substrate and the heat source during a heating phase of the thermal schedule, and the second purge gas is provided in a cooling phase of the thermal schedule. 21. The method of claim 20, wherein the method is provided in the heat treatment system between the substrate surface and the heat source.

A method of heat treating a substrate in a heat treatment system,
Supplying a first purge gas into the heat treatment system;
Heating the substrate to a target temperature,
Supplying a second purge gas having a higher thermal conductivity than the first purge gas into the heat treatment system at or before or after the temperature of the substrate is heated to the target temperature;
A method that includes

23. The method of claim 22, wherein said second purge gas comprises helium.

24. The method of claim 23, wherein said first purge gas comprises nitrogen.

23. The method of claim 22, wherein the supply of the first purge gas into the heat treatment ends when the substrate is heated to the target temperature, or before or after it.

A method of heat treating a substrate in a heat treatment system,
Heating the substrate to a target temperature,
When or before or after the substrate is heated to the target temperature, the surface of the substrate and the heat source are disposed in the heat treatment system between the surface of the substrate and the heat source in the heat treatment system. Supplying a purge gas to increase the thermal conductivity during
Removing the purge gas from the heat treatment system at substantially the same rate as the rate at which the purge gas is supplied to the heat treatment system;
A method that includes

27. The method of claim 26, wherein the purge gas has a relatively high thermal conductivity.

28. The method of claim 27, wherein said purge gas comprises helium.

27. The method of claim 26, wherein the purge gas is provided into the heat treatment system during a cooling phase of a thermal schedule.

27. The method of claim 26, wherein the purge gas is supplied into the thermal processing system at a relatively high flow rate to minimize the time that the substrate is at the target temperature.

27. The method of claim 26, wherein the purge gas is provided to the heat treatment system about 1 to 3 seconds before the substrate is heated to the target temperature.

27. The method of claim 26, wherein the purge gas is provided to the heat treatment system about 1-2 seconds before the substrate is heated to the target temperature.

27. The method of claim 26, wherein the purge gas is provided to the heat treatment system about 1 to 1.5 seconds before the substrate is heated to the target temperature.

A method of heat treating a substrate in a heat treatment system,
Supplying a first purge gas into the heat treatment system;
Heating the substrate to a target temperature,
At or before or after the substrate is heated to the target temperature, a second purge gas having a greater thermal conductivity than the first purge gas is provided between the surface of the substrate and the heat source in the heat treatment system. Feeding into the heat treatment system during
Removing the second purge gas from the heat treatment system at substantially the same rate as the rate at which the second purge gas is supplied to the heat treatment system;
A method that includes

35. The method of claim 34, wherein said first purge gas comprises nitrogen and said second purge gas comprises helium.

35. The method of claim 34, wherein the supply of the first purge gas into the heat treatment terminates at or about when the substrate is heated to the target temperature.

37. The method of claim 36, wherein the second purge gas is supplied into the heat treatment system at a relatively high flow rate to minimize the time that the substrate is at the target temperature.

35. The method of claim 34, wherein the second purge gas is provided into the heat treatment system while the temperature of the substrate is decreasing.