專利名稱：半導(dǎo)體晶片的熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體晶片的熱處理方法。


圖14是重點(diǎn)說明在半導(dǎo)體晶片上形成的晶體管元件的結(jié)構(gòu)的截面圖。如圖示，在該半導(dǎo)體晶片上，例如埋設(shè)氧化硅膜(SiO2)62、62，在P型硅襯底61上形成元件分離區(qū)；在該硅襯底61上隔著柵氧化膜層63和其上的多晶硅層64淀積鎢層65，形成柵電極66。在柵電極66的兩側(cè)，形成所謂的氮化硅膜的側(cè)壁67、67。68、68為離子注入?yún)^(qū)，可用任何一個(gè)作為源極，另一個(gè)作為漏極。
在形成雜質(zhì)擴(kuò)散層的工序中，摻入雜質(zhì)狀態(tài)的半導(dǎo)體晶片如被長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下，雜質(zhì)就會(huì)被擴(kuò)散到比該半導(dǎo)體晶片的應(yīng)形成雜質(zhì)擴(kuò)散層的部分更深的部分，從而會(huì)加大雜質(zhì)擴(kuò)散層的深度(厚度)，因此，必須使半導(dǎo)體晶片不被過度地加熱，以抑制雜質(zhì)的熱擴(kuò)散。
作為半導(dǎo)體晶片的熱處理方法，人所共知的方法是，采用以燈管作為加熱源，通過該加熱源發(fā)出的光的照射，使被處理物即半導(dǎo)體晶片快速加熱，之后進(jìn)行快速冷卻的RTP(Rapid Thermal Process快速熱處理)裝置。作為這種RTP裝置的加熱源，鹵素?zé)魹闃I(yè)界所廣泛使用。
但是，由于近年來對(duì)半導(dǎo)體集成電路的高集成化、細(xì)微化的要求越來越嚴(yán)格，例如需要形成20nm以下的更薄的雜質(zhì)擴(kuò)散層，通過以鹵素?zé)糇鳛榧訜嵩吹腞TP裝置的熱處理方法，就不能充分滿足要求。
作為形成這種極薄的雜質(zhì)擴(kuò)散層的方法，據(jù)知有采用氯化氙激光器的方法，通過這種氯化氙激光器產(chǎn)生的幾個(gè)毫米的照射寬度掃描半導(dǎo)體晶片來進(jìn)行熱處理?，F(xiàn)在這種裝置已被納入非常精密的半導(dǎo)體裝置的制造工藝，但是，其價(jià)格較高，且使用小光點(diǎn)直徑的激光束掃描來進(jìn)行熱處理，其生產(chǎn)能力也較低。
因此，人們?cè)谘芯坎捎每蓪⒈惶幚砦镌跇O短時(shí)間加熱的閃光放電燈作為RTP裝置的加熱源。依據(jù)以閃光放電燈作為加熱源的RTP裝置的熱處理方法，用閃光放電燈對(duì)被處理物即半導(dǎo)體晶片進(jìn)行閃光照射，可以在短時(shí)間內(nèi)完成，因此，可以不將熱量傳至該半導(dǎo)體晶片的內(nèi)部，而在只將熱量傳導(dǎo)至表層部分的狀態(tài)下進(jìn)行加熱，從而可以抑制雜質(zhì)的熱擴(kuò)散。
另一方面，例如在RTP裝置中，設(shè)置預(yù)先將半導(dǎo)體晶片加熱至預(yù)定溫度的預(yù)熱裝置，利用該預(yù)熱裝置對(duì)半導(dǎo)體晶片作預(yù)熱后再用加熱源進(jìn)行加熱的熱處理方法，正被廣泛采用。
通過對(duì)半導(dǎo)體晶片進(jìn)行預(yù)熱，可以減小為將半導(dǎo)體晶片的表層部分加熱至所要溫度加熱源所需要的能量，因此可以減輕構(gòu)成加熱源的燈管的工作負(fù)荷，從而可以延長(zhǎng)其使用壽命。
由于半導(dǎo)體晶片的溫度一旦達(dá)到700℃以上就會(huì)加大雜質(zhì)的熱擴(kuò)散速度，因此將用預(yù)熱裝置達(dá)到的預(yù)熱溫度設(shè)定在550℃以下。實(shí)際上，為了減輕閃光放電燈的負(fù)荷，將預(yù)熱溫度設(shè)定在450℃以上，因此，多數(shù)場(chǎng)合該溫度被設(shè)定在450～550℃的范圍內(nèi)。
但是，實(shí)際上，經(jīng)預(yù)熱后，通過閃光放電燈發(fā)出的閃光的照射，作了加熱處理的半導(dǎo)體晶片中大多存在破損成顆粒的問題，所以采用以閃光放電燈作加熱源的熱處理裝置的熱處理方法，不能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體裝置的批量生產(chǎn)；因此，這種熱處理方法難以被實(shí)用化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明擬解決的課題本發(fā)明人反復(fù)進(jìn)行了對(duì)采用以閃光放電燈作加熱源的熱處理裝置的熱處理方法的實(shí)用化研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)半導(dǎo)體晶片的加熱，在包含經(jīng)閃光放電燈的閃光照射的表面的表面層，以及包含半導(dǎo)體晶片的背面的背面層中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而在位于該表面層與背面層之間的中間層中會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，且半導(dǎo)體晶片具有對(duì)拉伸應(yīng)力的耐受能力低于壓縮應(yīng)力的特性，因此，存在半導(dǎo)體晶片的中間層因拉伸應(yīng)力造成破損的情況。
本發(fā)明是基于以上情況而創(chuàng)造的，其目的在于提供可以在半導(dǎo)體晶片不破損的狀態(tài)下進(jìn)行熱處理的半導(dǎo)體晶片熱處理方法。
解決課題的手段本發(fā)明的半導(dǎo)體晶片熱處理方法，是經(jīng)預(yù)熱裝置將半導(dǎo)體晶片預(yù)熱至預(yù)定溫度后，用由閃光放電燈構(gòu)成的閃光輻射裝置進(jìn)行加熱處理的半導(dǎo)體晶片熱處理方法。該方法的特征在于，通過將經(jīng)閃光輻射裝置加熱的半導(dǎo)體晶片的最大拉伸應(yīng)力控制在半導(dǎo)體晶片自身的拉伸應(yīng)力極限強(qiáng)度內(nèi)的預(yù)熱溫度，用預(yù)熱裝置進(jìn)行加熱。
作為本發(fā)明的半導(dǎo)體晶片熱處理方法，閃光輻射裝置對(duì)半導(dǎo)體晶片的照射的閃光，最好該照射波形上的上升速度為2.0×105J/mm2·s2以上，峰值能量為200J/mm2·s以下。并且，預(yù)熱裝置的預(yù)熱溫度最好設(shè)定在450℃以下。
本發(fā)明的半導(dǎo)體晶片熱處理方法，是將半導(dǎo)體晶片通過預(yù)熱裝置預(yù)先加熱到預(yù)定溫度后，再用閃光放電燈構(gòu)成的閃光輻射裝置進(jìn)行加熱處理的半導(dǎo)體晶片熱處理方法；在該方法中，也可以將用閃光輻射裝置加熱后的預(yù)熱溫度，控制在使距離經(jīng)該閃光輻射裝置發(fā)出的閃光照射的半導(dǎo)體晶片的表面0.18～0.28mm的范圍內(nèi)產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力的最大值小于半導(dǎo)體晶片自身的拉伸極限強(qiáng)度的范圍內(nèi)，用預(yù)熱裝置進(jìn)行加熱處理。
作用依據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體晶片熱處理方法，經(jīng)預(yù)熱裝置將半導(dǎo)體晶片加熱至預(yù)定溫度后，用由閃光放電燈構(gòu)成的閃光輻射裝置加熱該半導(dǎo)體晶片時(shí)，將因熱膨脹產(chǎn)生的半導(dǎo)體晶片的最大拉伸應(yīng)力控制在小于半導(dǎo)體晶片自身的拉伸應(yīng)力極限強(qiáng)度的范圍內(nèi)，通過用這樣的預(yù)熱裝置進(jìn)行加熱，可以防止在熱處理中出現(xiàn)因半導(dǎo)體晶片內(nèi)部產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力造成的該半導(dǎo)體晶片的破損。因此，可以進(jìn)行不使被處理物即半導(dǎo)體晶片破損的熱處理。
圖2是構(gòu)成閃光輻射裝置的閃光放電燈的結(jié)構(gòu)說明圖。
圖3是閃光放電燈的點(diǎn)燈電路具體示例的說明圖。
圖4是閃光放電燈的另一點(diǎn)燈電路中的一個(gè)閃光放電燈的充放電電路部分的詳細(xì)說明圖。
圖5是觸發(fā)電路說明圖。
圖6是拉伸極限強(qiáng)度曲線的說明圖。
圖7是實(shí)驗(yàn)例1的閃光輻射裝置照射半導(dǎo)體晶片的閃光照射波形的說明圖。
圖8是實(shí)驗(yàn)例1的表面溫度達(dá)到了峰值溫度的半導(dǎo)體晶片的厚度方向上的溫度分布的說明圖。
圖9是實(shí)驗(yàn)例1的熱處理中半導(dǎo)體晶片表面溫度變化的說明圖。
圖10是實(shí)驗(yàn)例1的表面溫度達(dá)到峰值溫度的半導(dǎo)體晶片的厚度方向上的應(yīng)力分布的說明圖。
圖11是實(shí)驗(yàn)例2的閃光輻射裝置照射半導(dǎo)體晶片的閃光照射波形的說明圖。
圖12是實(shí)驗(yàn)例2的表面溫度達(dá)到了峰值溫度的半導(dǎo)體晶片的厚度方向上的溫度分布的說明圖。
圖13是實(shí)驗(yàn)例2的表面溫度達(dá)到峰值溫度的半導(dǎo)體晶片的厚度方向上的應(yīng)力分布的說明圖。
圖14是重點(diǎn)說明半導(dǎo)體晶片上形成的晶體管元件的結(jié)構(gòu)的截面圖。
符號(hào)說明10 熱處理裝置11 箱體11A 氣氛氣體導(dǎo)入口11B 半導(dǎo)體晶片出入口12 支承臺(tái)13 第一石英窗14 第二石英窗20 閃光輻射裝置23 反光罩25 閃光放電燈的點(diǎn)燈電路28 觸發(fā)電路30 預(yù)熱裝置32 鹵素?zé)?3 反光罩35 鹵素?zé)酎c(diǎn)燈電路41 觸發(fā)電路41A 充電回路41B 放電回路42 開關(guān)43 半導(dǎo)體開關(guān)元件44 變壓器44A 二次側(cè)線圈44B 一次側(cè)線圈45 觸發(fā)用電容器47、47a、47b、47c 主電容器48、48a、48b、48c 波形整形線圈49 充電器50 閃光放電燈51 放電容器55 陽極56 陰極61 P型硅襯底62 氧化硅膜63 柵氧化膜層64 多晶硅層65 鎢層66 柵電極67 側(cè)壁間隔68 電極W 半導(dǎo)體晶片圖1是表示一例適合用于本發(fā)明半導(dǎo)體晶片熱處理方法的熱處理裝置的說明圖。該熱處理裝置10以半導(dǎo)體晶片(圖1中以W表示)為被處理物，其中設(shè)有氣氛氣體導(dǎo)入口11A，帶半導(dǎo)體晶片出入口11B的石英玻璃制的箱體11，以及設(shè)于該箱體11內(nèi)的、放置半導(dǎo)體晶片的支承臺(tái)12、12。箱體11的頂部(圖1的上部)設(shè)有石英平板制的第一石英窗13，并且，在該箱體11的底面(圖1的下部)設(shè)有石英平板制的第二石英窗14。
而且，在箱體11的第二石英窗14的下方(圖1的下方)設(shè)有預(yù)熱裝置30，并在該箱體11的第一石英窗13的上方(圖1的上方)設(shè)有作為加熱源的后述的閃光輻射裝置20。
本例中，預(yù)熱裝置30，沿第二石英窗14等間隔平行設(shè)置多個(gè)棒狀鹵素?zé)?2以及為這些鹵素?zé)羲灿玫姆垂庹?3；另外還設(shè)有用以控制各鹵素?zé)?2動(dòng)作的鹵素?zé)酎c(diǎn)燈電路35。
采用這種熱處理裝置10，處于雜質(zhì)被導(dǎo)入狀態(tài)的半導(dǎo)體晶片被放入箱體11內(nèi)后，例如，通過預(yù)先一起點(diǎn)亮預(yù)熱裝置30的全部鹵素?zé)?2，將該半導(dǎo)體晶片預(yù)熱到例如不致產(chǎn)生導(dǎo)入雜質(zhì)的熱擴(kuò)散問題的預(yù)定溫度后，通過使閃光輻射裝置20動(dòng)作來放射閃光，由此，進(jìn)行熱處理。
經(jīng)這種快速地在表層部分形成高溫的加熱后，經(jīng)過急速冷卻，將形成了雜質(zhì)擴(kuò)散層的半導(dǎo)體晶片從熱處理裝置10上的箱體11取出。
閃光輻射裝置20，沿第一石英窗13等間隔平行設(shè)置多個(gè)棒狀閃光放電燈50以及為這些閃光放電燈50所共用的反光罩23；另/外還設(shè)有用以控制各閃光放電燈50動(dòng)作的閃光放電燈點(diǎn)燈電路25。
閃光放電燈50，如圖2所示，例如可以是封入氙氣的燈管；其兩端密封，包括內(nèi)部劃分有放電空間的直管型石英玻璃制放電容器51，以及在該放電空間內(nèi)相對(duì)而設(shè)的陽極55與陰極56；在放電容器51的外面設(shè)置沿?zé)艄艿妮S線方向延伸的觸發(fā)電極28。
本例中，各閃光放電燈50的觸發(fā)電極28跟共用的觸發(fā)電路41(參照?qǐng)D3)連接。
圖3是表示閃光放電燈的點(diǎn)燈電路具體例的說明圖。圖4是閃光放電燈的另一點(diǎn)燈電路中的閃光放電燈充放電電路部分的詳細(xì)說明圖。
點(diǎn)燈電路，由分別為跟共用充電器49連接的多個(gè)閃光放電燈50而設(shè)的充放電電路部分構(gòu)成。
再有，作為調(diào)整至所要波形的裝置，如圖3所示，除了調(diào)整主電容器47中蓄積的電壓、主電容器47的容量和波形調(diào)整線圈48的電感以外，還可用如圖4所示的、主電容器47a、47b、47c以及波形整形線圈48a、48b、48c多級(jí)連接的充放電電路進(jìn)行調(diào)整。
或者說，充放電電路部分(圖4中虛線所圍的部分)，由用以供給發(fā)光能量的并聯(lián)連接的三個(gè)主電容器47a、47b、47c，以及與這些主電容器47a、47b、47c有關(guān)的波形整形線圈48a、48b、48c構(gòu)成。三個(gè)波形整形用線圈，分別連接在與電路構(gòu)成部分關(guān)聯(lián)的閃光放電燈50和第一主電容器47a之間，以及各主電容器之間。
而且，在電路構(gòu)成部分中，第一主電容器47a的一端和第一波形整形線圈48a的一端跟閃光放電燈50連接；并且，第三主電容器47c的一端和第三波形整形線圈48c的一端跟向各主電容器供電的共用充電器49連接。這種結(jié)構(gòu)的電路，被稱為PFN(Pulse forming network脈沖形成網(wǎng)絡(luò))電路，例如照相機(jī)的閃光放電管用的點(diǎn)燈電路。
在如上的電路構(gòu)成部分中，第一主電容器47a的電荷通過第一波形整形線圈48a放電；第二主電容器47b的電荷通過第一波形整形線圈48a與第二波形整形線圈48b放電，其放電所需時(shí)間要比第一主電容器47a的長(zhǎng)；又，第三主電容器47c的電荷通過第一波形整形線圈48a、第二波形整形線圈48b與第二波形整形線圈48c放電，因此其放電所需時(shí)間比第二主電容器47b還要長(zhǎng)；閃光輻射裝置20可以利用上述結(jié)構(gòu)，進(jìn)行照射波形的調(diào)整。
具體而言，可以取得上升速度加快、峰值能量受抑制狀態(tài)下持續(xù)的波形(例如圖11的曲線(b)所示的照射波形)。
在該例中，PFN電路為三級(jí)結(jié)構(gòu)，但是可以通過增減級(jí)數(shù)來隨意形成照射波形的上升邊沿與峰值持續(xù)時(shí)間。
此處，所謂“照射波形”，是從閃光輻射裝置向半導(dǎo)體晶片照射的閃光的能量強(qiáng)度的時(shí)間函數(shù)。
實(shí)測(cè)中，采用以高溫計(jì)等觀測(cè)某黑體溫度上升的脈沖激光功率計(jì)，算出整個(gè)積分的能量，同時(shí)用光傳感器觀測(cè)照射的波形，在與所述能量有關(guān)的積分值上分配各短時(shí)間的輸出值。
如圖5所示，觸發(fā)電路41中設(shè)有變壓器44，它由跟閃光放電燈50的觸發(fā)電極28連接的二次側(cè)線圈44A，以及經(jīng)由觸發(fā)用電容器45跟充電回路41A與放電回路41B連接的一次側(cè)線圈44B構(gòu)成；還設(shè)有根據(jù)照射指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，具有驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器功能的開關(guān)42。
再有，圖5中，與電路構(gòu)成部分關(guān)聯(lián)的三個(gè)主電容器與三個(gè)波形整形線圈，各自用一個(gè)符號(hào)表示。
如此構(gòu)成的閃光輻射裝置20中，接到照射指令信號(hào)后，開關(guān)42立即閉合而導(dǎo)通，結(jié)果，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，預(yù)先把觸發(fā)用電容器45中蓄積的電荷經(jīng)由半導(dǎo)體開關(guān)元件43放電，在變壓器44的二次側(cè)線圈44A產(chǎn)生觸發(fā)用高壓，該觸發(fā)用高壓加在電極28上，驅(qū)動(dòng)各閃光放電燈50。
這樣一來，根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，多個(gè)閃光放電燈50一起同時(shí)被驅(qū)動(dòng)，形成同時(shí)點(diǎn)燈狀態(tài)。
在如上所述的由預(yù)熱裝置30和閃光輻射裝置20構(gòu)成的熱處理裝置10中，摻入了雜質(zhì)的半導(dǎo)體晶片，在進(jìn)行預(yù)熱裝置30與閃光輻射裝置20的熱處理時(shí)的表面溫度的最高值(以下稱“峰值溫度”)為1000℃，最好為1000～1300℃。
將半導(dǎo)體晶片的峰值溫度設(shè)于1000℃以上，就可以在該半導(dǎo)體晶片的表層部分可靠地形成雜質(zhì)擴(kuò)散層。
于是，通過對(duì)半導(dǎo)體晶片的加熱如以下的(1)～(3)項(xiàng)所述，因部位不同而產(chǎn)生不同的應(yīng)力，在采用熱處理裝置10的熱處理方法中，將預(yù)熱裝置30的預(yù)熱溫度設(shè)定于適當(dāng)?shù)闹?，以在預(yù)熱裝置30加熱后，使經(jīng)閃光輻射裝置20加熱后的半導(dǎo)體晶片的最大拉伸應(yīng)力在半導(dǎo)體晶片自身的拉伸極限強(qiáng)度以內(nèi)。
并且，根據(jù)設(shè)定的預(yù)熱溫度，確定閃光輻射裝置20對(duì)半導(dǎo)體晶片進(jìn)行照射的閃光特性，以使半導(dǎo)體晶片的峰值溫度達(dá)到預(yù)期的溫度。
(1)包含由閃光輻射裝置的閃光所照射表面的表面層，溫度上升后產(chǎn)生由該半導(dǎo)體晶片的材料、例如硅(Si)的物理性質(zhì)決定的膨脹，從而出現(xiàn)壓縮應(yīng)力。
(2)從表面層往下延續(xù)、例如到距半導(dǎo)體晶片的表面約200μm的深度位置的中間層，由于與表面層相比該處的溫度上升較小，其膨脹程度也相對(duì)較小，因此會(huì)由表面層的膨脹而引起拉伸應(yīng)力。
(3)從中間層往下延續(xù)到包含半導(dǎo)體晶片背面的背面層中，由于因表面的膨脹導(dǎo)致的該半導(dǎo)體晶片的翹曲，在該處產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。
所謂“半導(dǎo)體晶片的最大拉伸應(yīng)力”，是指經(jīng)過預(yù)熱裝置與閃光輻射裝置進(jìn)行加熱，半導(dǎo)體晶片的表面溫度達(dá)到峰值溫度時(shí)半導(dǎo)體晶片中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力的最大值。
“半導(dǎo)體晶片的拉伸極限強(qiáng)度”跟半導(dǎo)體晶片的溫度相關(guān)，對(duì)于硅材料的半導(dǎo)體晶片而言，就如下面式(1)所表達(dá)的圖6所示的曲線(以下稱為“拉伸極限強(qiáng)度曲線”)。式(1)Y＝0.0001×T2-0.355×T+236.7[式中，Y表示拉伸極限強(qiáng)度(MPa)，T表示溫度(℃)。]對(duì)于硅材料的半導(dǎo)體晶片，通過實(shí)驗(yàn)求出因半導(dǎo)體晶片的內(nèi)部產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力引起的該半導(dǎo)體晶片的破損的應(yīng)力大小，以及該半導(dǎo)體晶片內(nèi)部的溫度；從實(shí)驗(yàn)求出的表1所示的結(jié)果，求出表示通過該表1中給出的三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的拉伸極限強(qiáng)度和半導(dǎo)體晶片溫度之間的關(guān)系的近似曲線。式(1)就是根據(jù)該曲線求出的公式。表(1)

如圖6所示，半導(dǎo)體晶片的拉伸應(yīng)力的極限強(qiáng)度，隨溫度的升高而逐步下降。因此，例如通過如下方法，在半導(dǎo)體晶片的最大拉伸應(yīng)力和半導(dǎo)體晶片的拉伸極限強(qiáng)度之間進(jìn)行對(duì)比。
(a)調(diào)查半導(dǎo)體晶片的表面溫度達(dá)到峰值時(shí)該半導(dǎo)體晶片的厚度方向上的應(yīng)力分布，并確認(rèn)最大拉伸應(yīng)力值以及最大拉伸應(yīng)力發(fā)生的位置(以下，也稱為“最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置”)。
(b)調(diào)查半導(dǎo)體晶片的表面溫度達(dá)到峰值時(shí)該半導(dǎo)體晶片的厚度方向上的應(yīng)力分布，并確認(rèn)最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置的溫度。
(c)將(b)中得到的最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置的溫度上半導(dǎo)體晶片自身的拉伸極限強(qiáng)度值與(a)中得到的最大拉伸應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比。
在該熱處理方法中，熱處理中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力比拉伸應(yīng)力極限強(qiáng)度低得越多，與預(yù)熱裝置30與閃光輻射裝置20有關(guān)的加熱條件的自由度就越大。
具體而言，預(yù)熱裝置的預(yù)熱溫度最好在450℃以下。
將預(yù)熱溫度設(shè)定于450℃以下，可使半導(dǎo)體晶片上的最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置的溫度降低，并使該最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置處的拉伸應(yīng)力極限強(qiáng)度增大，因此，能夠可靠地防止半導(dǎo)體晶片的破損。
因而，預(yù)熱溫度超過450℃時(shí)，即使閃光輻射裝置的閃光發(fā)射在極短的時(shí)間內(nèi)結(jié)束，也會(huì)使因預(yù)熱造成的最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置的溫度增高，進(jìn)而使該最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置處的拉伸應(yīng)力極限強(qiáng)度減小，從而半導(dǎo)體晶片就有破損的危險(xiǎn)存在。
預(yù)熱溫度應(yīng)設(shè)定在450℃以下，理想的溫度范圍是200～450℃，最好設(shè)定在300～430℃。
閃光輻射裝置對(duì)半導(dǎo)體晶片照射的閃光，通常預(yù)熱溫度較低的場(chǎng)合，選擇具有峰值能量大、上升速度快的特性的閃光照射波形；但是，另一方面，預(yù)熱溫度較高時(shí)，則選擇具有峰值能量小、上升速度慢的特性的閃光照射波形。
具體而言，閃光輻射裝置的閃光最好具有這樣的特性照射波形的上升速度為2.0×105J/mm2·s2以上，峰值能量在200J/mm2·s以下。
并且，特別是上升速度，最好為2.0×105～1.65×106J/mm2·s2。
上升速度低于2.0×105J/mm2·s2時(shí)，由于半導(dǎo)體晶片的表面溫度達(dá)到峰值溫度需要時(shí)間，結(jié)果，使閃光輻射裝置的閃光照射時(shí)間加長(zhǎng)，半導(dǎo)體晶片暴露在高溫下的時(shí)間增加，從而使閃光輻射裝置加熱引起的半導(dǎo)體晶片的最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置的溫度增高，因此，最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置處的拉伸極限強(qiáng)度降低，半導(dǎo)體晶片存在破損的危險(xiǎn)。
上升速度超過1.65×106J/mm2·s2的場(chǎng)合，由于與閃光輻射裝置的結(jié)構(gòu)有關(guān)的自由度變小，就不太適用；并且，還會(huì)帶來給構(gòu)成閃光輻射裝置的閃光放電燈加大負(fù)荷，使其使用壽命縮短的壞處。
另一方面，就峰值能量而言，設(shè)為200J/mm2·s以上是可能的，但是，會(huì)因此導(dǎo)致例如閃光輻射裝置的構(gòu)成部件過多，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，不能獲得高的維護(hù)性能，或者成本增加等種種問題。
本發(fā)明的半導(dǎo)體晶片熱處理方法中，預(yù)熱裝置與閃光輻射裝置的加熱條件，可以有如下(1)～(3)項(xiàng)給出的條件，其中以(3)項(xiàng)的條件為最佳。
(1)照射波形的上升速度設(shè)為1.65×106J/mm2·s2，峰值能量設(shè)為340J/mm2·s，同時(shí)將預(yù)熱溫度設(shè)為300℃。
(2)照射波形的上升速度設(shè)為1.0×106J/mm2·s2，峰值能量設(shè)為250J/mm2·s，同時(shí)將預(yù)熱溫度設(shè)為300℃。
(3)照射波形的上升速度設(shè)為2.0×105J/mm2·s2，峰值能量設(shè)為200J/mm2·s，同時(shí)將預(yù)熱溫度設(shè)為300℃。
依據(jù)采用上述結(jié)構(gòu)的熱處理裝置10的半導(dǎo)體晶片熱處理方法，通過控制預(yù)熱裝置30的預(yù)熱溫度，包含被處理物即半導(dǎo)體晶片的表層部分的表面層經(jīng)預(yù)熱裝置30加熱后，即使通過閃光輻射裝置20的閃光加熱達(dá)到所要的溫度，該表面層下方的中間層中的最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置的溫度上升可處于被抑制的狀態(tài)；由此，該最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置處發(fā)生的半導(dǎo)體晶片的最大拉伸應(yīng)力，可以低于半導(dǎo)體晶片自身的拉伸應(yīng)力極限強(qiáng)度，從而可以防止在熱處理過程中半導(dǎo)體晶片內(nèi)部產(chǎn)生因拉伸應(yīng)力引起的半導(dǎo)體晶片破損。
因而，可以進(jìn)行不使被處理物即半導(dǎo)體晶片破損的熱處理。
并且，由于采用由閃光放電燈50構(gòu)成的閃光輻射裝置20作為加熱源，將半導(dǎo)體晶片的表面加熱至要求溫度所需時(shí)間極短，因此，可以抑制雜質(zhì)的熱擴(kuò)散。從而，即使應(yīng)形成的雜質(zhì)擴(kuò)散層非常薄例如為10～20nm，也可以不使被處理物即半導(dǎo)體晶片破損地進(jìn)行熱處理。
在該半導(dǎo)體晶片熱處理方法中，加熱條件設(shè)為閃光輻射裝置20上的照射波形的上升速度為2.0×105J/mm2·s2以上，峰值能量設(shè)為200J/mm2·s以下。并且，通過將預(yù)熱裝置30上的預(yù)熱溫度設(shè)為450℃以下，可以確實(shí)不使被處理物即半導(dǎo)體晶片破損地進(jìn)行熱處理，且可以無不良影響地投入實(shí)際使用。
以上，就本發(fā)明的實(shí)施例作了具體說明，但是，本發(fā)明并不以上述的實(shí)施例為限，可以有種種不同的變更。
例如，半導(dǎo)體晶片的熱處理方法中，厚度0.5～0.8mm的半導(dǎo)體晶片中，最大拉伸應(yīng)力通常在距離半導(dǎo)體晶片表面0.18～0.28mm的范圍內(nèi)發(fā)生，因此，可以通過控制預(yù)熱溫度使該范圍內(nèi)產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力的最大值低于該半導(dǎo)體晶片自身的拉伸應(yīng)力極限強(qiáng)度，用預(yù)熱裝置進(jìn)行加熱。即使在這種場(chǎng)合，也可以取得可使被處理物即半導(dǎo)體晶片不破損地進(jìn)行熱處理的作用與效果。
以上，作為本發(fā)明的半導(dǎo)體晶片熱處理方法，就設(shè)有閃光輻射裝置與預(yù)熱裝置的熱處理裝置作了說明，但是所述半導(dǎo)體晶片熱處理方法并不以此為限。
以下，就為確認(rèn)本發(fā)明的作用與效果所作的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說明?！秾?shí)驗(yàn)例1》
按照?qǐng)D1所示的結(jié)構(gòu)形式制成實(shí)驗(yàn)用熱處理裝置，其中以設(shè)有與共用觸發(fā)電路連接的21支棒狀閃光放電燈的閃光輻射裝置作為加熱源，并設(shè)有17個(gè)耗電1.7kW的棒狀鹵素?zé)舻念A(yù)熱裝置。
該實(shí)驗(yàn)用熱處理裝置中，以直徑200mm、厚0.6mm的硅材半導(dǎo)體晶片為被處理物，通過該半導(dǎo)體晶片的預(yù)熱裝置預(yù)熱至200℃、300℃、400℃、500℃等各個(gè)溫度后，再用如表2所示的分別將閃光輻射裝置半導(dǎo)體晶片上的峰值溫度調(diào)整到1100℃的、如圖7所示的照射波形進(jìn)行照射，測(cè)定半導(dǎo)體晶片的表面溫度達(dá)到峰值溫度時(shí)該半導(dǎo)體晶片厚度方向上的溫度分布。結(jié)果如圖8所示。
在圖8所示的溫度分布圖的橫軸上，0表示半導(dǎo)體晶片的表面，0.6表示半導(dǎo)體晶片的背面。圖8中，省略了預(yù)熱溫度450℃。
并且，歷時(shí)地測(cè)定半導(dǎo)體晶片的熱處理中的表面溫度，從而確認(rèn)半導(dǎo)體晶片表面溫度的峰值溫度為1100℃。結(jié)果如圖9所示。表(2)

再有，在確認(rèn)半導(dǎo)體晶片的厚度方向上的溫度分布的同時(shí)，還測(cè)定了預(yù)熱溫度為200℃與500℃場(chǎng)合，半導(dǎo)體晶片的表面溫度達(dá)到峰值溫度時(shí)該半導(dǎo)體晶片的厚度方向上的應(yīng)力分布。結(jié)果如圖10所示。
圖10給出的應(yīng)力分布圖的縱軸上，正值表示拉伸應(yīng)力的大小，相反地，負(fù)值表示壓縮應(yīng)力的大小。橫軸上，0表示半導(dǎo)體晶片的表面，0.6表示半導(dǎo)體晶片的背面。
于是，根據(jù)圖10確定最大拉伸應(yīng)力值與最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置；另外，根據(jù)圖8確定最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置的溫度，再根據(jù)表示硅(Si)的拉伸強(qiáng)度曲線的圖6，將拉伸極限強(qiáng)度與最大拉伸應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。
圖6中，預(yù)熱溫度為200℃時(shí)的標(biāo)繪點(diǎn)用P(1)表示，預(yù)熱溫度為500℃時(shí)的標(biāo)繪點(diǎn)用P(4)表示，預(yù)熱溫度為450℃時(shí)的標(biāo)繪點(diǎn)用P(5)表示。
根據(jù)以上結(jié)果確認(rèn)通過降低預(yù)熱溫度，使半導(dǎo)體晶片的峰值溫度達(dá)到要求溫度所需的閃光發(fā)射的能量增大，發(fā)生的最大拉伸應(yīng)力增大；但是，由于在半導(dǎo)體晶片中最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置的溫度降低，該最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置處的拉伸應(yīng)力極限強(qiáng)度增大。
于是確認(rèn)了在預(yù)熱溫度為500℃的場(chǎng)合，最大拉伸應(yīng)力比拉伸應(yīng)力極限強(qiáng)度大，半導(dǎo)體晶片破損的危險(xiǎn)性很大?！秾?shí)驗(yàn)例2》采用和實(shí)驗(yàn)例1所用相同的實(shí)驗(yàn)用熱處理裝置，該實(shí)驗(yàn)用熱處理裝置中，以直徑200mm、厚0.6mm的硅材半導(dǎo)體晶片為被處理物，通過將該半導(dǎo)體晶片用預(yù)熱裝置預(yù)熱至300℃后，再用閃光輻射裝置進(jìn)行圖11所示的照射波形的閃光照射，測(cè)定半導(dǎo)體晶片的表面溫度達(dá)到峰值溫度時(shí)該半導(dǎo)體晶片厚度方向上的溫度分布與應(yīng)力分布。結(jié)果如圖12與圖13所示。
圖12的溫度分布圖與圖13的應(yīng)力分布圖中的橫軸上，0表示半導(dǎo)體晶片的表面，0.6表示半導(dǎo)體晶片的背面。另外，圖13的應(yīng)力分布圖的縱軸上，正值表示拉伸應(yīng)力的大小，相反地，負(fù)值表示壓縮應(yīng)力的大小。
于是，根據(jù)圖13確定最大拉伸應(yīng)力值與最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置；另外，根據(jù)圖12確定最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置的溫度，再根據(jù)表示硅(Si)的拉伸強(qiáng)度曲線的圖6，將拉伸極限強(qiáng)度與最大拉伸應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。下面的表3中給出了各特定值。
圖6中，照射波形為圖11中的曲線(a)的標(biāo)繪點(diǎn)用P(a)表示，照射波形為圖11中的曲線(b)的標(biāo)繪點(diǎn)用P(b)表示，照射波形為圖11中的曲線(c)的標(biāo)繪點(diǎn)用P(c)表示。表(3)

表(3)中，“最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置”指距離半導(dǎo)體晶片表面的位置。
并且，以厚度為0.8mm的硅材半導(dǎo)體晶片為被處理物，用與上述相同的方法指定最大拉伸應(yīng)力值、最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置以及最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置的溫度。所指定的各值如表4所示。
用圖6所示的硅(Si)的拉伸應(yīng)力強(qiáng)度曲線，將指定的各最大拉伸應(yīng)力值跟拉伸應(yīng)力極限強(qiáng)度值作對(duì)比，結(jié)果表明，所述各最大拉伸應(yīng)力值均小于拉伸應(yīng)力的極限強(qiáng)度值。表(4)

表(4)中，“最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置”指距離半導(dǎo)體晶片表面的位置。
由以上結(jié)果可知，降低上升速度會(huì)有提高最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置的溫度，從而使該最大拉伸應(yīng)力發(fā)生位置的拉伸應(yīng)力極限強(qiáng)度變小的傾向；但是經(jīng)確認(rèn)，在實(shí)驗(yàn)例2的任一種加熱條件下，均足以防止半導(dǎo)體晶片的破損。
并且確認(rèn)在實(shí)施例2的任一種加熱條件下，也可以形成極薄的雜質(zhì)擴(kuò)散層。另外，還確認(rèn)最大拉伸應(yīng)力，在距離半導(dǎo)體晶片表面0.18～0.28mm的范圍內(nèi)發(fā)生。
本發(fā)明的效果依據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體晶片的熱處理方法，通過預(yù)熱裝置對(duì)半導(dǎo)體晶片進(jìn)行預(yù)熱后，再用由閃光放電燈構(gòu)成的閃光輻射裝置進(jìn)行加熱時(shí)，對(duì)預(yù)熱溫度進(jìn)行控制，以使因熱膨脹產(chǎn)生的半導(dǎo)體晶片的最大拉伸應(yīng)力低于半導(dǎo)體晶片自身的拉伸應(yīng)力極限強(qiáng)度；通過用預(yù)熱裝置進(jìn)行這樣的加熱，可以防止半導(dǎo)體晶片內(nèi)部因拉伸應(yīng)力引起的該半導(dǎo)體晶片的破損。因此，可以不使被處理物即半導(dǎo)體晶片破損地進(jìn)行熱處理。
并且，由于采用以閃光放電燈構(gòu)成的閃光輻射裝置作為加熱源，半導(dǎo)體晶片表面的溫度達(dá)到要求溫度所需的時(shí)間極短，因此，可以抑制雜質(zhì)的熱擴(kuò)散。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體晶片熱處理方法，該方法用預(yù)熱裝置將半導(dǎo)體晶片加熱至預(yù)定溫度后，再用由閃光放電燈構(gòu)成的閃光輻射裝置進(jìn)行加熱處理；其特征在于采用預(yù)熱裝置進(jìn)行加熱，預(yù)熱溫度被加以控制，以使由閃光輻射裝置加熱時(shí)的半導(dǎo)體晶片的最大拉伸應(yīng)力低于半導(dǎo)體晶片自身的拉伸極限強(qiáng)度。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體晶片熱處理方法，其特征在于閃光輻射裝置照射半導(dǎo)體晶片的閃光的照射波形的上升速度為2.0×105J/mm2·s2以上，峰值能量為200J/mm2·s以下。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體晶片熱處理方法，其特征在于所述預(yù)熱裝置的預(yù)熱溫度設(shè)定于450℃以下。
4.一種半導(dǎo)體晶片熱處理方法，該方法用預(yù)熱裝置將半導(dǎo)體晶片加熱至預(yù)定溫度后，再用由閃光放電燈構(gòu)成的閃光輻射裝置進(jìn)行加熱處理；其特征在于采用預(yù)熱裝置進(jìn)行加熱，預(yù)熱溫度被加以控制，以使得在用閃光輻射裝置加熱時(shí)，在距離被該閃光輻射裝置的閃光照射的半導(dǎo)體晶片表面0.18～0.28mm的范圍內(nèi)發(fā)生的拉伸應(yīng)力的最大值低于半導(dǎo)體晶片自身的拉伸極限強(qiáng)度。
全文摘要
提供了一種半導(dǎo)體晶片熱處理方法，采用該方法可以使被處理物即半導(dǎo)體晶片不破損地進(jìn)行熱處理。該方法在通過預(yù)熱裝置對(duì)半導(dǎo)體晶片進(jìn)行達(dá)到預(yù)定溫度的預(yù)熱之后，再用由閃光放電燈構(gòu)成的閃光輻射裝置進(jìn)行加熱處理，其特征在于采用預(yù)熱裝置進(jìn)行加熱，預(yù)熱溫度被加以控制，以使用閃光輻射裝置加熱時(shí)的半導(dǎo)體晶片的最大拉伸應(yīng)力低于半導(dǎo)體晶片自身的拉伸極限強(qiáng)度。
文檔編號(hào)H01L21/324GK1424750SQ0215617
公開日2003年6月18日 申請(qǐng)日期2002年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月13日
發(fā)明者宮宇地浩二, 大和田樹志 申請(qǐng)人:優(yōu)志旺電機(jī)株式會(huì)社