CN106486397B - 热处理方法以及热处理装置 - Google Patents
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Abstract
提供能够抑制高介电常数膜的基层的二氧化硅膜的膜厚增大的热处理方法以及热处理装置。在硅的半导体晶片的表面隔着作为界面层膜的二氧化硅膜形成高介电常数膜。在该半导体晶片容纳于腔室内后，腔室内的压力被减压至比大气压低的气压(P1)。然后，向腔室内供给氨气与氮气的混合气体而恢复至常压(Ps)，并向半导体晶片的表面照射闪光来执行高介电常数膜的成膜后热处理。由于一旦将腔室内的压力减压至比大气压低的气压(P1)后就恢复压力，因此，能够使执行成膜后热处理时的腔室内的氧气浓度显著地变低，从而能够抑制高介电常数膜的基层的二氧化硅膜在成膜后热处理中吸取氧气而膜厚增大。
Description
技术领域
本发明涉及通过向在高介电常数膜或高介电常数膜上形成金属栅极的半导体晶片等的薄板状精密电子基板(下面，简称为“基板”)照射闪光来加热该基板的热处理方法以及热处理装置。
背景技术
在半导体设备的制造工艺中，在极短时间加热半导体晶片的闪光灯退火(FLA)引人注目。闪光灯退火是如下的热处理技术，即，通过使用氙气闪光灯(下面，在简称为“闪光灯”时是指氙气闪光灯)向半导体晶片的表面照射闪光，在极短时间内(几毫秒以下)仅使半导体晶片的表面升温。
氙气闪光灯的辐射光谱分布从紫外区域至近红外区域，波长比以往的卤素灯的波长短，并与硅的半导体晶片的基本吸收带几乎一致。由此，在从氙气闪光灯向半导体晶片照射闪光时，透射光至少能够使半导体晶片快速地升温。另外，若在几毫秒以下的极短时间内照射闪光，则能够有选择地仅使半导体晶片的表面附近升温。
这样的闪光灯退火利用于需要极短时间的加热的处理，例如，典型地利用于注入半导体晶片的杂质的活性化。若从闪光灯向通过离子注入法注入杂质的半导体晶片的表面照射闪光，能够仅在极短时间内将该半导体晶片的表面升温至活性化温度，能够不使杂质扩散得深，能够仅执行杂质活性化。
另外，作为近年开发的场效应晶体管(FET)的栅绝缘膜，研究了使用比二氧化硅(SiO2)的介电常数高的材料(高介电常数材料)的高介电常数膜(High-k膜)的适用。高介电常数膜是如下的膜，即，为了伴随着栅绝缘膜的薄膜化的进展而解决漏电流增大的问题，与在栅极使用了金属的金属栅极一起作为新的堆叠结构被开发。也研究了将闪光灯退火适用于形成有包含这样的高介电常数膜的新的堆叠结构的半导体晶片的热处理。
高介电常数膜是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD：Metal Organic ChemicalVapor Deposition)等手法使高介电常数材料堆积在硅的基材上而形成的。高介电常数膜与以往的二氧化硅膜相比，虽然具有高的介电常数，但是，堆积后的高介电常数膜的结晶性低，也包含很多点缺陷等缺陷。因此，在例如专利文献1中提出了如下的热处理方法，即，需要以高温对堆积的高介电常数膜进行退火，向形成有高介电常数膜的半导体晶片的表面照射闪光来进行短时间的加热处理。
专利文献1：日本特开2013-73946号公报
然而，如专利文献1所示，就仅向形成有高介电常数膜的半导体晶片照射闪光来进行极短时间的闪光加热处理而言，产生如下问题，即，形成于高介电常数膜的基层的二氧化硅膜的膜厚增大，从而不能获得高的介电常数。二氧化硅膜的膜厚增大是由于在氧气存在的状态下进行加热处理所引起的。就成为膜厚增大的原因的氧气而言，主要具有腔室内的残留氧气、附着在半导体晶片的表面的氧气(典型地，作为水分吸附的)、高介电常数膜自身固溶的氧气。特别地，在闪光加热处理时，在腔室内残留的氧气成为二氧化硅膜的膜厚增大的主要原因。一般而言，在闪光灯退火装置中，由于在常压下将半导体晶片搬入搬出腔室，因此，此时流入的大气中的氧气残留在腔室内，从而氧气浓度变高。
另外，在对在高介电常数膜上堆积金属栅极的半导体晶片进行闪光加热处理的情况下，也存在如下问题，即，氧气通过金属栅极以及高介电常数膜进行扩散而使基层的二氧化硅膜的膜厚增大，并且金属栅极自身被氧化。
发明内容
本发明鉴于上述问题而提出，其目的在于，提供能够抑制高介电常数膜的基层的二氧化硅膜的膜厚增大的热处理方法以及热处理装置。
为了解决上述问题，第一技术方案的发明的热处理方法的特征在于，
通过向形成有高介电常数膜的基板照射闪光来加热该基板，所述热处理方法包括：
搬入工序，将形成有高介电常数膜的基板搬入腔室内，
减压工序，将所述腔室内的压力减压至比大气压低的第一压力，
恢复压力工序，将所述腔室内的压力从第一压力恢复至比第一压力高的第二压力，
照射工序，一边将所述腔室内的压力维持为第二压力，一边从闪光灯向所述基板的表面照射闪光。
另外，第二技术方案的发明的特征在于，在第一技术方案的发明的热处理方法中，
在所述恢复压力工序中，向所述腔室内导入含有氨气的反应性气体。
另外，第三技术方案的发明的特征在于，在第二技术方案的发明的热处理方法中，
所述第一压力为所述第二压力的百分之一以下。
另外，第四技术方案的发明的特征在于，在第二技术方案或第三技术方案的发明的热处理方法中，
还包括预备加热工序，其在所述照射工序前，将所述基板升温至规定的预备加热温度，
在所述预备加热工序中，向所述腔室内供给所述反应性气体，并且在所述照射工序以后，停止向所述腔室内供给所述反应性气体。
另外，第五技术方案的发明的特征在于，在第四技术方案的发明的热处理方法中，
在停止所述反应性气体的供给的同时，开始进行所述腔室内的减压。
另外，第六技术方案的发明的特征在于，在第一技术方案至第五技术方案中任一项的发明的热处理方法中，
所述第二压力比所述第一压力高且比大气压低。
另外，第七技术方案的发明的特征在于，在第一技术方案至第五技术方案中任一项的发明的热处理方法中，
所述第二压力为大气压。
另外，第八技术方案的发明的特征在于，在第一技术方案至第五技术方案中任一项的发明的热处理方法中，
所述第二压力比大气压高。
另外，第九技术方案的发明的特征在于，在第一技术方案至第八技术方案中任一项的发明的热处理方法中，
在所述减压工序中，使来自所述腔室的排气流量随着时间的推移而增加。
另外，第十技术方案的发明的特征在于，在第一技术方案至第九技术方案中任一项的发明的热处理方法中，
在所述恢复压力工序中，使向所述腔室供给的供气流量随着时间的推移而增加。
另外，第十一技术方案的发明的特征在于，在第一技术方案至第十技术方案中任一项的发明的热处理方法中，
在所述照射工序后，在排出所述腔室内的气体后向所述腔室内供给非活性气体而恢复至大气压时，使非活性气体以50L/min至100L/min的流量流入所述腔室内。
另外，第十二技术方案的发明的热处理装置的特征在于，
通过向形成有高介电常数膜的基板照射闪光来加热该基板，所述热处理装置具有：
腔室，其容纳所述基板，
闪光灯，其向容纳于所述腔室内的所述基板照射闪光，
排气部，其排出所述腔室内的气体，
气体供给部，其向所述腔室供给规定的处理气体，
控制部，其对所述排气部以及所述气体供给部进行控制，使得在将所述腔室内的压力减压至比大气压低的第一压力后，恢复至比第一压力高的第二压力的状态下，从所述闪光灯向所述基板的表面照射闪光。
另外，第十三技术方案的发明的特征在于，在第十二技术方案的发明的热处理装置中，
在将所述腔室内的压力从第一压力恢复至第二压力时，所述气体供给部向所述腔室内供给含有氨气的反应性气体。
另外，第十四技术方案的发明的特征在于，在第十三技术方案的发明的热处理装置中，
所述第一压力为所述第二压力的百分之一以下。
另外，第十五技术方案的发明的特征在于，在第十三技术方案或第十四技术方案的发明的热处理装置中，
还具有预备加热部，其在照射所述闪光前，将所述基板升温至规定的预备加热温度，
所述控制部对所述排气部以及所述气体供给部进行控制，使得在利用所述预备加热部对所述基板进行预备加热时，向所述腔室内供给所述反应性气体，并且在照射所述闪光的时刻以后，停止向所述腔室内供给所述反应性气体。
另外，第十六技术方案的发明的特征在于，在第十五技术方案的发明的热处理装置中，
所述控制部对所述排气部以及所述气体供给部进行控制，使得在停止所述反应性气体的供给的同时，开始进行所述腔室内的减压。
另外，第十七技术方案的发明的特征在于，在第十二技术方案至第十六技术方案中任一项的发明的热处理装置中，
所述第二压力比所述第一压力高且比大气压低。
另外，第十八技术方案的发明的特征在于，在第十二技术方案至第十六技术方案中任一项的发明的热处理装置中，
所述第二压力为大气压。
另外，第十九技术方案的发明的特征在于，在第十二技术方案至第十六技术方案中任一项的发明的热处理装置中，
所述第二压力比大气压高。
另外，第二十技术方案的发明的特征在于，在第十二技术方案至第十九技术方案中任一项的发明的热处理装置中，
所述控制部对所述排气部进行控制，使得在将所述腔室内的压力减压至所述第一压力时，来自所述腔室的排气流量随着时间的推移而增加。
另外，第二十一技术方案的发明的特征在于，在第十二技术方案至第二十技术方案中任一项的发明的热处理装置中，
所述控制部对所述气体供给部进行控制，使得在将所述腔室内的压力从所述第一压力恢复至所述第二压力时，向所述腔室供给的供气流量随着时间的推移而增加。
另外，第二十二技术方案的发明的特征在于，在第十二技术方案至第二十一技术方案中任一项的发明的热处理装置中，
所述控制部对所述排气部以及所述气体供给部进行控制，使得在照射所述闪光后，在排出所述腔室内的气体后向所述腔室内供给非活性气体而恢复至大气压时，使非活性气体以50L/min至100L/min的流量流入所述腔室内。
根据第一技术方案至第十一技术方案的发明，由于在将腔室内的压力减压至比大气压低的第一压力后恢复至比上述第一压力高的第二压力，因此，能够降低照射闪光时的腔室内的氧气浓度，从而能够抑制高介电常数膜的基层的二氧化硅膜的膜厚增大。
特别地，根据第三技术方案的发明，由于第一压力为第二压力的百分之一以下，因此，能够减少残留空气对反应性气体的影响。
特别地，根据第四技术方案的发明，由于在预备加热工序向腔室内供给反应性气体，并且在照射工序以后停止向腔室内供给反应性气体，因此，能够在一定程度上使高介电常数膜氮化，从而使进入高介电常数膜的氢气脱离。
特别地，根据第六技术方案的发明，由于第二压力比第一压力高且比大气压低，因此，能够使照射闪光时的平均自由程变长，从而能够使高介电常数膜的热处理反应均匀化。另外，由于恢复压力所需的时间变短，因此，能够提高生产能力。
特别地，根据第八技术方案的发明，由于第二压力比大气压高，因此，即使将闪光照射时的处理温度变低，也能够进行高介电常数膜的热处理反应。
特别地，根据第九技术方案的发明，由于使来自腔室的排气流量随着时间的推移而增加，因此，能够防止伴随着来自腔室的排气所引起的颗粒的卷起。
特别地，根据第十技术方案的发明，由于使向腔室供给的供气流量随着时间的推移而增加，因此，能够防止伴随着向腔室供气所引起的颗粒的卷起。
特别地，根据第十一技术方案的发明，由于在排出腔室内的气体后向腔室内供给非活性气体而恢复至大气压时，使非活性气体以50L/min至100L/min的流量流入腔室内，因此，能够将在闪光照射时产生的颗粒冲到腔室外。
根据第十二技术方案至第二十二技术方案的发明，由于在将腔室内的压力减压至比大气压低的第一压力后，恢复至比第一压力高的第二压力，因此，能够降低照射闪光时的腔室内的氧气浓度，从而能够抑制高介电常数膜的基层的二氧化硅膜的膜厚增大。
特别地，根据第十四技术方案的发明，由于第一压力为第二压力的百分之一以下，因此，能够减少残留空气对反应性气体的影响。
特别地，根据第十五技术方案的发明，由于在对基板进行预备加热时向腔室内供给反应性气体，并且在照射闪光的时刻以后停止向腔室内供给反应性气体，因此，能够在一定程度上使高介电常数膜氮化，并且能够使进入高介电常数膜的氢气脱离。
特别地，根据第十七技术方案的发明，由于第二压力比第一压力高且比大气压低，因此，能够使照射闪光时的平均自由程变长，从而能够使高介电常数膜的热处理反应均匀化。另外，由于恢复压力所需的时间变短，因此，能够提高生产能力。
特别地，根据第十九技术方案的发明，由于第二压力比大气压高，因此，即使将闪光照射时的处理温度变低，也能够进行高介电常数膜的热处理反应。
特别地，根据第二十技术方案的发明，由于对排气部进行控制，使得在将腔室内的压力减压至第一压力时，来自腔室的排气流量随着时间的推移而增加，因此，能够防止伴随着来自腔室的排气所引起的颗粒的卷起。
特别地，根据第二十一技术方案的发明，由于对气体供给部进行控制，使得在将腔室内的压力从第一压力恢复至第二压力时，向腔室供给的供气流量随着时间的推移而增加，因此，也能够防止伴随着向腔室的供气所引起的颗粒的卷起。
特别地，根据第二十二技术方案的发明，在照射闪光后，在排出腔室内的气体后向腔室内供给非活性气体而恢复至大气压时，使非活性气体以50L/min至100L/min的流量流入腔室内，因此，能够将在闪光照射时产生的颗粒冲到腔室外。
附图说明
图1是表示本发明的热处理装置的结构的纵向剖视图。
图2是表示保持部的整体外观的立体图。
图3是从上面观察保持部的俯视图。
图4是从侧面观察保持部的侧视图。
图5是移载机构的俯视图。
图6是移载机构的侧视图。
图7是表示多个卤素灯的配置的俯视图。
图8是表示排气部的结构的图。
图9是表示在半导体晶片上形成有高介电常数膜的堆叠结构的图。
图10是表示第一实施方式中的腔室内的压力变化的图。
图11是表示第二实施方式中的腔室内的压力变化的图。
图12是表示第三实施方式中的腔室内的压力变化的图。
其中，附图标记说明如下：
1 热处理装置
3 控制部
4 卤素加热部
5 闪光加热部
6 腔室
7 保持部
10 移载机构
61 腔室侧部
63 上侧腔室窗
64 下侧腔室窗
65 热处理空间
74 基座
85 气体供给源
90、196 流量调整阀
101 基材
102 二氧化硅膜
103 高介电常数膜
190 排气部
191 排气泵
192、193、194 排气阀
197、198、199 旁通路径
FL 闪光灯
HL 卤素灯
W 半导体晶片
具体实施方式
下面，一边参照附图一边详细地说明本发明的实施方式。
<第一实施方式>
图1是表示本发明的热处理装置1的结构的纵剖视图。本实施方式的热处理装置1是闪光灯退火装置，其通过向作为基板的圆板形状的半导体晶片W照射闪光来对该半导体晶片W进行加热。成为处理对象的半导体晶片W的尺寸并不特别限定，例如为
或
在搬入热处理装置1之前的半导体晶片W上形成有高介电常数膜，通过热处理装置1的加热处理执行高介电常数膜的成膜后热处理(PDA：Post Deposition Annealing)。此外，在图1以及之后的各图中，为了便于理解，根据需要放大或简化各部分的尺寸、数量。
热处理装置1具有容纳半导体晶片W的腔室6、内置多个闪光灯FL的闪光加热部5、内置多个卤素灯HL的卤素加热部4。在腔室6的上侧设置有闪光加热部5，并且在下侧设置有卤素加热部4。另外，热处理装置1在腔室6的内部具有用于将半导体晶片W保持为水平姿势的保持部7、在保持部7和装置外部之间交接半导体晶片W的移载机构10。而且，热处理装置1具有控制部3，该控制部3对卤素加热部4、闪光加热部5以及在腔室6设置的各动作机构进行控制来执行半导体晶片W的热处理。
腔室6是在筒状的腔室侧部61的上下安装石英制的腔室窗而构成的。腔室侧部61具有上下开口的大致筒形状，在上侧开口安装上侧腔室窗63而堵塞上侧开口，在下侧开口安装下侧腔室窗64而堵塞下侧开口。构成腔室6的顶部的上侧腔室窗63是由石英形成的圆板形状构件，作为使从闪光加热部5出射的闪光透过到腔室6内的石英窗发挥作用。另外，构成腔室6的底部的下侧腔室窗64也是由石英形成的圆板形状构件，作为使来自卤素加热部4的光透过到腔室6内的石英窗发挥作用。上侧腔室窗63以及下侧腔室窗64的厚度为例如约28mm。
另外，在腔室侧部61的内侧的壁面的上部安装有反射环68，在下部安装有反射环69。反射环68、69都形成为圆环状。上侧的反射环68通过从腔室侧部61的上侧嵌入来安装。另一方面，下侧的反射环69通过从腔室侧部61的下侧嵌入并用省略图示的螺钉固定来安装。即，反射环68、69都能自由装卸地安装于腔室侧部61。腔室6的内侧空间，即由上侧腔室窗63、下侧腔室窗64、腔室侧部61以及反射环68、69包围的空间被规定为热处理空间65。
通过在腔室侧部61安装反射环68、69，在腔室6的内壁面形成有凹部62。即，形成有由腔室侧部61的内壁面中的未安装反射环68、69的中央部分、反射环68的下端面、反射环69的上端面包围的凹部62。凹部62沿着水平方向呈圆环状形成于腔室6的内壁面，并围绕保持半导体晶片W的保持部7。
腔室侧部61以及反射环68、69由强度和耐热性优良的金属材料(例如不锈钢)形成。另外，反射环68、69的内周面通过电解镀镍而形成为镜面。
另外，在腔室侧部61设置有用于相对于腔室6进行半导体晶片W的搬入以及搬出的搬送开口部(炉口)66。搬送开口部66通过闸阀185来开闭。搬送开口部66与凹部62的外周面连通连接。因此，在闸阀185打开搬送开口部66时，能够从搬送开口部66通过凹部62向热处理空间65搬入半导体晶片W以及从热处理空间65搬出半导体晶片W。另外，若闸阀185关闭搬送开口部66，则腔室6内的热处理空间65变为密闭空间。
另外，在腔室6的内壁上部设置有向热处理空间65供给处理气体(在本实施方式中为氮气(N2)以及氨气(NH3))的气体供给孔81。气体供给孔81比凹部62更靠上侧位置，也可以设置在反射环68上。气体供给孔81经由在腔室6的侧壁内部呈圆环状形成的缓冲空间82与气体供给管83连通连接。气体供给管83与气体供给源85连接。气体供给源85在控制部3的控制下，将氮气、或氨气与氮气的混合气体作为处理气体向气体供给管83输送。另外，在气体供给管83的路径途中安装有阀84以及流量调整阀90。在打开阀84时，从气体供给源85向缓冲空间82输送处理气体。在气体供给管83中流动且向缓冲空间82输送的处理气体的流量通过流量调整阀90来调整。流量调整阀90规定的处理气体的流量通过控制部3的控制为可变的。流入缓冲空间82的处理气体以在流体阻力比气体供给孔81小的缓冲空间82内扩散的方式流动，并从气体供给孔81向热处理空间65内供给。此外，处理气体并不限定于氮气、氨气，也可以是氩气(Ar)、氦气(He)等非活性气体或氧气(O2)、氢气(H2)、氯气(Cl2)、氯化氢(HCl)、臭氧(O3)、一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N2O)、二氧化氮(NO2)等反应性气体。
另一方面，在腔室6的内壁下部设置有用于排出热处理空间65内的气体的气体排出孔86。气体排出孔86比凹部62靠下侧位置，也可以设置在反射环69上。气体排出孔86经由在腔室6的侧壁内部呈圆环状形成的缓冲空间87与气体排出管88连通连接。气体排出管88与排气部190连接。另外，在气体排出管88的路径途中安装有阀89。在打开阀89时，热处理空间65的气体从气体排出孔86经由缓冲空间87向气体排出管88排出。此外，气体供给孔81以及气体排出孔86既可以沿着腔室6的周向设置有多个，也可以为狭缝状。
图8是表示排气部190的结构的图。排气部190具有排气泵191、流量调整阀196、三条旁通路径197、198、199以及三个排气阀192、193、194。对来自腔室6的排气进行引导的气体排出管88和排气泵191通过三条旁通路径197、198、199连接。三条旁通路径197、198、199并排设置。三条旁通路径197、198、199的配管直径相互不同。旁通路径197的直径最小，旁通路径199的直径最大，旁通路径198的直径在上述两者之间。由此，可通过的气体的流量按旁通路径197、198、199的顺序依次变大。
三个排气阀192、193、194分别设置于三条旁通路径197、198、199。即，在旁通路径197中安装有排气阀192，在旁通路径198中安装有排气阀193，在旁通路径199中安装有排气阀194。在使排气泵191动作且打开三个排气阀192、193、194时，被气体排出管88引导的来自腔室6的排气通过相对应的旁通路径197、198、199被吸引至排气泵191。
由于三条旁通路径197、198、199的配管直径不同，因此，排气能力不同。配管直径越大，则排气能力也越大，排气能力按照旁通路径197、198、199的顺序依次变大。因此，通过开闭三个排气阀192、193、194中的任一个，能够控制来自腔室6的排气流量。可以只打开三个排气阀192、193、194中的任一个，也可以打开两个或三个。例如，在关闭排气阀193、194而只打开排气阀192的情况下，以最小的排气流量进行排气。另外，在将三个排气阀192、193、194全都打开的情况下，以最大的排气流量进行排气。
另外，在三条旁通路径197、198、199的合流部分与排气泵191之间安装有流量调整阀196。气体排出管88的排气流量也能够通过流量调整阀196进行调整。流量调整阀196规定的排气流量通过控制部3的控制为可变的。三条旁通路径197、198、199是不连续地且多级地调整排气流量的机构，相对于此，流量调整阀196是连续地且无级地调整排气流量的机构。
气体供给管83、气体排出管88以及三条旁通路径197、198、199由强度和耐腐蚀性优良的不锈钢构成。另外，在腔室6内设置有用于测定热处理空间65的压力的压力计180。优选地，压力计180的测定范围为约5Pa～0.2MPa。
图2是表示保持部7的整体外观的立体图。另外，图3是从上面观察保持部7的俯视图，图4是从侧面观察保持部7的侧视图。保持部7具有底座环71、连接部72以及基座74。底座环71、连接部72以及基座74全都由石英形成。即，保持部7的整体由石英形成。
底座环71是圆环形状的石英构件。底座环71通过载置在凹部62的底面而被腔室6的壁面支撑(参照图1)。在具有圆环形状的底座环71的上表面沿着周向立设有多个连接部72(在本实施方式中为四个)。连接部72也是石英的构件，通过焊接固定在底座环71上。此外，底座环71的形状也可以是从圆环形状切去一部分的圆弧状。
平板状的基座74被在底座环71上设置的四个连接部72支撑。基座74是由石英形成的大致圆形的平板状构件。基座74的直径大于半导体晶片W的直径。即，基座74具有比半导体晶片W大的平面尺寸。在基座74的上表面立设有多个(在本实施方式为五个)引导销76。五个引导销76沿着与基座74的外周圆同心的圆周设置。配置有五个引导销76的圆的直径稍大于半导体晶片W的直径。各引导销76也由石英形成。此外，引导销76既可以与基座74一体地从石英块加工出来，可以将另外单独加工成的构件通过焊接等安装在基座74上。
在底座环71上立设的四个连接部72与基座74的周缘部的下表面通过焊接固定。即，基座74和底座环71通过连接部72固定连接，保持部7为石英的一体成形构件。通过这样的保持部7的底座环71被腔室6的壁面支撑，保持部7被安装在腔室6内。在保持部7安装在腔室6内的状态下，大致圆板形状的基座74处于水平姿势(法线与铅垂方向一致的姿势)。搬入腔室6内的半导体晶片W以水平姿势载置保持于在腔室6内安装的保持部7的基座74上。半导体晶片W通过载置于由五个引导销76形成的圆的内侧，能够防止在水平方向上的位置偏移。此外，引导销76的个数并不限于五个，只要是能够防止半导体晶片W的位置偏移的数量即可。
另外，如图2以及图3所示，在基座74上，上下贯通地形成有开口部78以及切口部77。切口部77为了使使用了热电偶的接触式温度计130的探针顶端部通过而设置。另一方面，开口部78为了辐射温度计120接收从由基座74保持的半导体晶片W的下表面辐射的辐射光(红外光)而设置。而且，在基座74上贯穿设置有四个贯通孔79，所述贯通孔79用于后述的移载机构10的升降销12贯通以进行半导体晶片W的交接。
图5是移载机构10的俯视图。另外，图6是移载机构10的侧视图。移载机构10具有两条移载臂11。移载臂11大致为沿着圆环状的凹部62那样的圆弧形状。在各移载臂11上立设有两根升降销12。各移载臂11通过水平移动机构13能够转动。水平移动机构13能够使一对移载臂11在相对于保持部7移载半导体晶片W的移载动作位置(图5的实线位置)和与由保持部7保持的半导体晶片W在俯视时不重叠的退避位置(图5的双点划线位置)之间水平移动。作为水平移动机构13，既可以通过不同的马达使各移载臂11分别转动，也可以使用连杆机构并利用一个马达使一对移载臂11连动地转动。
另外，一对移载臂11通过升降机构14与水平移动机构13一起升降移动。在升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置上升时，共计四根升降销12通过在基座74上贯穿设置的贯通孔79(参照图2、3)，并且升降销12的上端从基座74的上表面突出。另一方面，在升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置下降，使升降销12从贯通孔79抽出，并且水平移动机构13使一对移载臂11以打开的方式移动时，各移载臂11移动至退避位置。一对移载臂11的退避位置在保持部7的底座环71的正上方。由于底座环71载置于凹部62的底面，因此，移载臂11的退避位置处于凹部62的内侧。
返回到图1，在腔室6的上方设置的闪光加热部5在框体51的内侧具有由多根(在本实施方式为30根)氙气闪光灯FL构成的光源和以覆盖该光源的上方的方式设置的反射器52。另外，在闪光加热部5的框体51的底部安装有灯光辐射窗53。构成闪光加热部5的底部的灯光辐射窗53是由石英形成的板状的石英窗。通过将闪光加热部5设置在腔室6的上方，使得灯光辐射窗53与上侧腔室窗63相对。闪光灯FL从腔室6的上方经由灯光辐射窗53以及上侧腔室窗63向热处理空间65照射闪光。
多个闪光灯FL是分别具有长的圆筒形状的棒状灯，以各自的长度方向沿着由保持部7保持的半导体晶片W的主面(即沿着水平方向)相互平行的方式呈平面状地排列。由此，通过闪光灯FL的排列形成的平面也是水平面。
氙气闪光灯FL具有在内部封入氙气气体且在两端部配置有与电容器连接的阳极以及阴极的棒状玻璃管(放电管)和在该玻璃管的外周面上附加设置的触发电极。由于氙气气体在电气上是绝缘体，因此，即使在电容器内蓄积有电荷，在通常的状态下，在玻璃管内也不流通电流。然而，在向触发电极施加高电压而破坏绝缘的情况下，蓄积在电容器内的电流在玻璃管内瞬间地流通，因此时的氙气的原子或分子的激发而放出光。在这样的氙气闪光灯FL中，将预先在电容器蓄积的静电能量变换为0.1毫秒至100毫秒这样极短的光脉冲，因此，与如卤素灯HL那样的连续点亮的光源相比，具有能够照射极强的光的特征。即，闪光灯FL是在小于1秒的极短的时间内瞬间发光的脉冲发光灯。此外，闪光灯FL的发光时间能够根据向闪光灯FL供给电力的灯电源的线圈常数来调整。
另外，反射器52以覆盖多个闪光灯FL整体的方式设置在多个闪光灯FL的上方。反射器52的基本的功能是，将从多个闪光灯FL出射的闪光向热处理空间65侧反射。反射器52由铝合金板形成，其表面(面向闪光灯FL一侧的面)通过喷砂处理而被实施粗面化加工。
在腔室6的下方设置的卤素加热部4在框体41的内侧内置有多根(在本实施方式中为40根)卤素灯HL。卤素加热部4是通过多个卤素灯HL从腔室6的下方经由下侧腔室窗64向热处理空间65照射光来对半导体晶片W进行加热的光照射部。
图7是表示多个卤素灯HL的配置的俯视图。40根卤素灯HL分为上下两层配置。在接近保持部7的上层配置有20根卤素灯HL，并且，在与上层相比距保持部7远的下层也配置有20根卤素灯HL。各卤素灯HL是具有长的圆筒形状的棒状灯。在上层、下层，20根卤素灯HL都排列为，各自的长度方向沿着由保持部7保持的半导体晶片W的主面(即沿着水平方向)相互平行。由此，在上层、下层，通过卤素灯HL的排列形成的平面都为水平面。
另外，如图7所示，在上层、下层，相比与由保持部7保持的半导体晶片W的中央部相向的区域，与周缘部相向的区域中的卤素灯HL的配设密度高。即，在上层、下层，相比灯排列的中央部，周缘部的卤素灯HL的配设间距短。因此，在通过卤素加热部4照射光进行加热时，能够向容易产生温度下降的半导体晶片W的周缘部照射更多的光量。
另外，由上层的卤素灯HL构成的灯组和由下层的卤素灯HL构成的灯组呈格子状交叉排列。即，以在上层配置的20根卤素灯HL的长度方向和在下层配置的20根卤素灯HL的长度方向相互垂直的方式，配设共计40根卤素灯HL。
卤素灯HL是通过对在玻璃管内部配设的灯丝进行通电来使灯丝白热化并使其发光的灯丝方式的光源。在玻璃管的内部封入有在氮气或氩气等非活性气体中导入微量的卤素元素(碘、溴等)而成的气体。通过导入卤素元素，能够抑制灯丝的折损，并且能够将灯丝的温度设定为高温。因此，卤素灯HL与通常的白炽灯相比具有寿命变长且能够连续照射强的光的特性。即，卤素灯HL是连续发光至少1秒以上的连续点亮灯。另外，卤素灯HL由于是棒状灯，所以寿命长，通过使卤素灯HL沿水平方向配置，向上方的半导体晶片W辐射的效率优良。
另外，在卤素加热部4的框体41内，在两层卤素灯HL的下侧也设置有反射器43(图1)。反射器43将从多个卤素灯HL出射的光向热处理空间65侧反射。
控制部3对在热处理装置1设置的上述的各种动作机构进行控制。作为控制部3的硬件的结构，与一般的计算机相同。即，控制部3具有进行各种运算处理的电路即CPU、存储基本程序的读取专用的存储器即ROM、存储各种信息的可自由读写的存储器即RAM、存储控制用软件和数据等的磁盘。通过控制部3的CPU通过执行规定的处理程序，来进行热处理装置1中的处理。另外，控制部3对阀84、阀89、流量调整阀90、流量调整阀196、排气泵191以及三个排气阀192、193、194进行控制，来调整腔室6内的热处理空间65的压力、供气流量以及排气速率。
除了上述结构以外，热处理装置1还具有各种冷却用的结构，以防止在对半导体晶片W进行热处理时，因由卤素灯HL以及闪光灯FL产生的热能导致卤素加热部4、闪光加热部5以及腔室6的温度过度上升。例如在腔室6的壁体设置有水冷管(省略图示)。另外，卤素加热部4以及闪光加热部5为在内部形成气体流来进行排热的空冷结构。另外，还向上侧腔室窗63和灯光辐射窗53的间隙供给空气，对闪光加热部5以及上侧腔室窗63进行冷却。
接着，对热处理装置1中的半导体晶片W的处理顺序进行说明。在此，成为处理对象的半导体晶片W是形成有作为栅绝缘膜的高介电常数膜的半导体基板。通过热处理装置1在氨气的气体环境中对该半导体晶片W照射闪光来进行成膜后热处理(PDA)，使高介电常数膜中的缺陷消除，并且进行氮化处理。
图9是表示在半导体晶片W上形成有高介电常数膜的堆叠结构的图。在半导体晶片W的硅的基材101上形成有二氧化硅膜(SiO2)102。二氧化硅膜102是作为硅的基材101与高介电常数膜103之间的界面层膜所需要的层。二氧化硅膜102的膜厚极薄，例如为约1nm。作为二氧化硅膜102的形成手法，能够采用例如热氧化法等公知的各种方法。
并且，在二氧化硅膜102上形成有作为栅绝缘膜的高介电常数膜103。作为高介电常数膜103，能够使用例如HfO2、ZrO2、Al2O3、La2O3等高介电常数材料(在本实施方式中为HfO2)。高介电常数膜103通过利用例如原子层沉积(ALD：Atomic Layer Deposition)使高介电常数材料堆积在二氧化硅膜102上来形成膜。堆积在二氧化硅膜102上的高介电常数膜103的膜厚为几nm，但该二氧化硅膜换算膜厚(EOT：Equivalent oxide thickness)为1nm左右。高介电常数膜103的形成手法并不限定于ALD，也可以采用例如金属有机化学气相沉积(MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等公知的手法。无论是哪种手法，在被堆积的状态下，在未进行特别处理的高介电常数膜103中存在多个点缺陷等缺陷。此外，在图9所示的结构中，在高介电常数膜103的两侧形成有SiN的侧壁104，但该侧壁104在例如后栅极工艺中，比高介电常数膜103先形成。另外，在利用热处理装置1的加热处理完成后，在高介电常数膜103上堆积钛(Ti)或钛的氮化物(TiN)来作为金属栅极。
通过热处理装置1对在图9所示那样的硅的基材101上隔着二氧化硅膜102而形成高介电常数膜103的半导体晶片W进行热处理。下面，对热处理装置1中的动作顺序进行说明。热处理装置1中的动作顺序通过控制部3控制热处理装置1的各动作机构来进行。
首先，将在界面层膜即二氧化硅膜102上形成有高介电常数膜103的半导体晶片W搬入热处理装置1的腔室6。在半导体晶片W搬入时，打开闸阀185而使搬送开口部66打开，利用装置外部的搬送机械手经由搬送开口部66将形成有高介电常数膜103的半导体晶片W搬入腔室6内的热处理空间65。此时，由于腔室6的内外都为大气压，因此，随着半导体晶片W的搬入，空气被带入腔室6内的热处理空间65。因此，通过打开阀84而从气体供给源85向腔室6内持续地供给氮气，使氮气流从搬送开口部66流出，从而将流入腔室6内的装置外部的气体限制为最小限度。另外，优选地，在闸阀185打开时，相比于半导体晶片W的热处理时使氮气的供给流量增大(例如，若在热处理时通常为30L/min，则在闸阀185打开时变为120L/min)。而且，优选地，使氮气的供给流量增大，并且关闭阀89而停止来自腔室6的排气。由此，由于供给至腔室6内的氮气只从搬送开口部66流出，因此，能够更加有效地防止外部空气的流入。
由搬送机械手搬入的半导体晶片W进入到保持部7的正上方位置停止。并且，移载机构10的一对移载臂11从退避位置水平移动到移载动作位置并上升，由此，升降销12通过贯通孔79从基座74的上表面突出，接受半导体晶片W。
在半导体晶片W载置在升降销12上后，搬送机械手从热处理空间65退出，并通过闸阀185关闭搬送开口部66。并且，通过使一对移载臂11下降，半导体晶片W从移载机构10被交到保持部7的基座74上而被水平姿势地被保持。半导体晶片W将形成有高介电常数膜103的表面作为上表面而被基座74保持。另外，半导体晶片W在基座74的上表面保持在五个引导销76的内侧。下降到基座74的下方的一对移载臂11通过水平移动机构13退避到退避位置即凹部62的内侧。
在半导体晶片W容纳于腔室6内且利用闸阀185关闭搬送开口部66后，将腔室6内的压力减压为比大气压低的气压。具体地说，通过关闭搬送开口部66，使得腔室6内的热处理空间65变为密闭空间。在该状态下，关闭用于供气的阀84，并且打开用于排气的阀89。另外，控制部3使排气泵191动作，并且将在三条旁通路径197、198、199中的配管直径最小的旁通路径197上设置的排气阀192打开。其他的排气阀193、194关闭。由此，不对腔室6内进行气体供给而进行排气，从而腔室6内的热处理空间65被减压。
图10是表示第一实施方式中的腔室6内的压力变化的图。图10的横轴表示时刻，纵轴表示腔室6内的压力。在半导体晶片W容纳于腔室6内而搬送开口部66被关闭的时刻，腔室6内的压力为常压Ps(＝大气压＝约101325Pa)。并且，在时刻t1，开始进行腔室6内的减压。在减压的初始阶段，由于只使用三条旁通路径197、198、199中的配管直径最小的旁通路径197，因此，排气流量小且排气速度也比较慢。
接着，在时刻t2，控制部3使三个排气阀192、193、194全部打开。由此，来自腔室6的排气流量增大，排气速度也变快。并且，在时刻t3，腔室6的压力(真空度)到达气压P1。气压P1为例如约100Pa。即，在减压的初始阶段以小的排气流量进行排气后，切换为比上述小的排气量大的排气流量来进行排气。此外，在第一实施方式中，流量调整阀196的流量是恒定的。
若从开始减压时就以大的排气流量快速地进行排气，则可能存在如下问题，即，在腔室6内产生大的气流变化而使附着在腔室6的结构物(例如，下侧腔室窗64)上的颗粒被卷起而再次附着在半导体晶片W上，从而造成污染。若在减压的初始阶段以小的排气流量静静地进行排气后，切换为大的排气流量进行排气，则能够防止上述那样的腔室6内的颗粒的卷起。
另外，排气部190具有使氨气等反应性气体无害化的除害装置(省略图示)，但是，若从开始减压时就以大的排气流量进行排气，则大量的气体流入该除害装置而可能使该除害装置超负荷。如本实施方式所述，若在减压的初始阶段以小的排气流量进行排气后，切换为大的排气流量进行排气，则能够防止除害装置超负荷。此外，在腔室6内的压力降低一定程度后，即使以大的排气流量进行排气，流入排气部190的气体量也比较少。
在腔室6内的压力到达了气压P1的时刻t3，关闭用于排气的阀89并打开用于供气的阀84，从气体供给源85向腔室6内的热处理空间65供给氨气与作为稀释气体的氮气的混合气体。其结果，在腔室6内，在由保持部7保持的半导体晶片W的周围形成氨气的气体环境。氨气的气体环境中的氨气的浓度(即，氨气与氮气的混合比)并不特别的限定，可设定为合适的值，但是，只要在例如10vol.％以下即可(在本实施方式中为约2.5vol.％)。此外，也可以在向腔室6供给氨气与氮气的混合气体期间只使用配管直径最小的旁通路径197从腔室6进行排气。在该情况下，当然混合气体的供给流量比排气流量大。
通过向腔室6内供给混合气体，腔室6内的压力从气压P1上升，在时刻t4恢复为常压Ps。在第一实施方式中，由于一旦将腔室6内的压力减压至气压P1之后就恢复为常压Ps，因此，能够将恢复为常压Ps后的腔室6内的氨气的气体环境中的氧气浓度设定为约200ppb。
在腔室6内的压力恢复为常压Ps的时刻t4以后，向腔室6的氨气与氮气的混合气体的供给流量和来自腔室6的排气流量相等，从而将腔室6内的压力维持为常压Ps。
另外，在腔室6内的压力恢复至常压Ps的时刻t4，卤素加热部4的40根卤素灯HL一齐点亮开始半导体晶片W的预备加热(辅助加热)。从卤素灯HL出射的卤素光透过由石英形成的下侧腔室窗64以及基座74，从半导体晶片W的背面照射。半导体晶片W的背面是与形成有高介电常数膜103的表面相反一侧的主面。通过接受来自卤素灯HL的光照射，半导体晶片W的温度上升。此外，由于移载机构10的移载臂11退避到凹部62的内侧，因此，不会妨碍卤素灯HL的加热。
在利用卤素灯HL进行预备加热时，半导体晶片W的温度由接触式温度计130测定。即，内置有热电偶的接触式温度计130经由切口部77与被基座74保持的半导体晶片W的下表面接触，来测定升温中的晶片温度。被测定的半导体晶片W的温度被传递至控制部3。控制部3一边监视因来自卤素灯HL的光照射而升温的半导体晶片W的温度是否已到达规定的预备加热温度T1，一边控制卤素灯HL的输出。即，控制部3基于接触式温度计130的测定值，以半导体晶片W的温度变为预备加热温度T1的方式对卤素灯HL的输出进行反馈控制。预备加热温度T1为300℃～600℃，在本实施方式中为450℃。此外，在因来自卤素灯HL的光照射而使半导体晶片W升温时，不利用辐射温度计120进行温度测定。其原因在于，从卤素灯HL照射的卤素光作为干扰光入射至辐射温度计120，无法进行准确的温度测定。
在半导体晶片W的温度到达了预备加热温度T1后，控制部3将半导体晶片W暂时维持在该预备加热温度T1。具体地说，在由接触式温度计130测定的半导体晶片W的温度到达了预备加热温度T1的时刻，控制部3调整卤素灯HL的输出，将半导体晶片W的温度大致维持在预备加热温度T1。
通过利用这样的卤素灯HL进行预备加热，将包含高介电常数膜103的半导体晶片W的整体均匀地升温至预备加热温度T1。在利用卤素灯HL的预备加热的阶段具有如下趋势，更容易产生散热的半导体晶片W的周缘部的温度比中央部低，但是，就卤素加热部4中的卤素灯HL的配设密度而言，和与半导体晶片W的中央部相对的区域相比，与周缘部相对的区域更高。因此，向容易产生散热的半导体晶片W的周缘部照射的光量变多，能够使预备加热阶段中的半导体晶片W的面内温度分布变得均匀。而且，由于安装在腔室侧部61的反射环69的内周面为镜面，因此，通过该反射环69的内周面，向半导体晶片W的周缘部反射的光量变多，从而能够使预备加热阶段中的半导体晶片W的面内温度分布变得均匀。此外，预备加热时的腔室6内的压力被维持为常压Ps。
接着，在半导体晶片W的温度到达预备加热温度T1并经过了规定时间的时刻t5，通过从闪光灯FL照射闪光来执行闪光加热处理。此时，从闪光灯FL辐射的闪光的一部分直接向腔室6内照射，其他部分一旦被反射器52反射后向腔室6内照射，通过上述的闪光的照射，进行半导体晶片W的闪光加热。
闪光加热利用来自闪光灯FL的闪光照射来进行，因此，能够在短时间内使半导体晶片W的表面温度上升。即，从闪光灯FL照射的闪光是预先蓄积在电容器内的静电能量变换为极短的光脉冲的、照射时间为0.1毫秒至100毫秒左右的极短的强闪光。通过从闪光灯FL向在基材101上隔着二氧化硅膜102形成有高介电常数膜103的半导体晶片W的表面照射闪光，使得包含高介电常数膜103的半导体晶片W的表面瞬间升温至处理温度T2来执行成膜后热处理。因闪光照射而使半导体晶片W的表面到达的最高温度(峰值温度)即处理温度T2为600℃至1200℃，在本实施方式中为1000℃。
若在氨气的气体环境中将半导体晶片W的表面升温至处理温度T2来执行成膜后热处理，则能够促进高介电常数膜103的氮化，并且能够消除高介电常数膜103中存在的点缺陷等缺陷。此外，由于闪光灯FL的照射时间为0.1毫秒至100毫秒左右的短时间，因此，半导体晶片W的表面温度从预备加热温度T1升温至处理温度T2所需的时间也是小于1秒的极短时间。闪光照射后的半导体晶片W的表面温度立即从处理温度T2快速地下降。
在完成闪光加热处理后，关闭用于供气的阀84而使腔室6内再次减压。此时的减压的图案与从上述的时刻t1到时刻t3中的减压的图案相同。即，在减压的初始阶段，只使用三条旁通路径197、198、199中的配管直径最小的旁通路径197，从而使排气流量比较小。然后，将三个排气阀192、193、194全部打开，从而使排气流量变大。即，在减压的初始阶段以小的排气流量进行排气后，切换为比上述的小的排气流量大的排气流量进行排气。这样，将排气流量切换为两个等级来进行排气的理由与上述相同。
通过将腔室6内的压力再次减压至气压P1，能够从腔室6内的热处理空间65排出有害的氨气。接着，关闭用于排气的阀89并打开用于供气的阀84，从气体供给源85向腔室6内供给氮气而恢复至常压Ps。此时的氮气的供给流量为50L/min以上。另外，也关闭卤素灯HL，由此，半导体晶片W也从预备加热温度T1降温。降温中的半导体晶片W的温度由接触式温度计130或辐射温度计120测定，该测定结果被传递至控制部3。控制部3基于测定结果，监视半导体晶片W的温度是否已降温至规定温度。并且，在半导体晶片W的温度降温至规定温度以下后，通过移载机构10的一对移载臂11再次从退避位置水平移动到移载动作位置并上升，由此，升降销12从基座74的上表面突出，从基座74接受热处理后的半导体晶片W。接着，打开被闸阀185关闭的搬送开口部66，载置在升降销12上的半导体晶片W被装置外部的搬送机械手搬出，从而完成热处理装置1中的半导体晶片W的加热处理。
在第一实施方式中，由于一旦将腔室6内的压力减压至比大气压低的气压P1之后就供给氨气与氮气的混合气体而恢复为常压Ps，因此，能够将恢复压力后的腔室6内的氧气浓度变为约200ppb以下。在不对腔室6内进行减压且在维持为常压的状态进行从大气向氨气与氮气的混合气体的气体环境置换的情况下，能够降低腔室6内的氧气浓度的界限为约2ppm。即，如本实施方式所示，通过一旦将腔室6内的压力减压至气压P1后就恢复为常压Ps，与未进行减压的情况相比，能够将腔室6内的氧气浓度降低至十分之一左右。
如上所述，由于在被堆积的状态下未进行特别处理的高介电常数膜103中存在多个点缺陷等缺陷，因此，需要通过成膜后热处理(PDA)来消除这样的缺陷。在执行成膜后热处理时，若存在氧气，则高介电常数膜103的基层的二氧化硅膜102会吸取该氧气而成长，从而膜厚增大，因此，不能得到高的介电常数。作为这样的膜厚增大的原因，主要的问题为残留在腔室6内的氧气。如本实施方式所示，在常压下将半导体晶片W搬入腔室6内的情况下，从外部带入的空气量变大，由此，提高腔室6的残留氧气浓度。因此，优选地，在执行高介电常数膜103的成膜后热处理时的气体环境中的氧气浓度尽可能地降低，特别地，在近年的高介电常数栅绝缘膜的形成中，要求将氧气浓度变为1ppm以下。
在第一实施方式中，通过一旦将腔室6内的压力减压至比大气压低的气压P1后就恢复为常压Ps，能够将执行高介电常数膜103的成膜后热处理时的腔室6内的热处理空间65的氧气浓度降低至约200ppb以下。因此，能够抑制高介电常数膜103的基层的二氧化硅膜102在成膜后热处理中从热处理空间65吸取氧气而膜厚增大。
另外，在被堆积后的高介电常数膜103中也含有氧气，若成膜后热处理的处理时间为几秒左右以上，则该氧气扩散也会使二氧化硅膜102的膜厚增大。在第一实施方式中，由于以小于1秒的照射时间从闪光灯FL向半导体晶片W的表面照射光而使晶片表面在极短时间内升温至处理温度T2，并且成膜后热处理的处理时间极短且氧气没有足够的扩散时间，从而能够抑制高介电常数膜103的基层的二氧化硅膜102的膜厚增大。
另外，在第一实施方式中，在使腔室6内恢复压力时导入氨气与氮气的混合气体，在氨气的气体环境中从闪光灯FL向半导体晶片W的表面照射闪光来进行成膜后热处理。通过在氨气的气体环境中将高介电常数膜103加热至处理温度T2，能够进行高介电常数膜103的氮化处理，能够降低在堆积后的高介电常数膜103中存在的缺陷，从而能够抑制因这样的缺陷所引起的漏电流。
另外，通过在氨气的气体环境中执行闪光加热处理，也能够对基层的二氧化硅膜102进行氮化。通过二氧化硅膜102被氮化，能够更加有效地抑制因二氧化硅膜102的氧化所引起的膜厚增大。另外，二氧化硅膜102的氮化会使二氧化硅膜102的介电常数稍微上升。由此，能够抑制二氧化硅膜102的物理膜厚的增大，并且能够使电气膜厚减少。此外，由于闪光照射时间为小于1秒的极短时间，因此，即使二氧化硅膜102被氮化，也能够抑制氮气扩散至信道侧。
另外，如上所述，在对腔室6内进行减压时，在减压开始时以小的排气流量进行排气后，切换为大的排气流量进行排气，因此，能够防止腔室6内的颗粒的卷起，并且也能够防止排气部190的除害装置超负荷。
<第二实施方式>
接着，说明本发明的第二实施方式。第二实施方式的热处理装置1的结构与第一实施方式完全相同。另外，第二实施方式的热处理装置1中的半导体晶片W的处理顺序也与第一实施方式大致相同。第二实施方式与第一实施方式的不同点在于，一旦将腔室6内的压力减压后就恢复压力时的压力。
图11是表示第二实施方式中的腔室6内的压力变化的图。在图11中，与图10相同，横轴表示时刻，纵轴表示腔室6内的压力。另外，图11中的虚线所示的图案为将第一实施方式中的腔室6内恢复至常压Ps时的压力变化图案(图10的图案)。
与第一实施方式相同，在形成有高介电常数膜103的半导体晶片W容纳于腔室6内而搬送开口部66被关闭的时刻，腔室6内的压力为常压Ps(＝大气压＝约101325Pa)。并且，在时刻t1，开始进行腔室6内的减压。与第一实施方式相同，在减压的初始阶段以小的排气流量进行排气后，在时刻t2，切换为比上述小的排气流量大的排气流量进行排气。由此，能够防止腔室6内的颗粒的卷起，并且能够防止排气部190的除害装置超负荷。
在腔室6内的压力到达了气压P1的时刻t3，关闭用于排气的阀89并打开用于供气的阀84，从气体供给源85向腔室6内的热处理空间65供给氨气与作为稀释气体的氮气的混合气体。到此为止，与第一实施方式相同。此外，气压P1为例如约100Pa。
在第二实施方式中，不将腔室6内的压力恢复至常压Ps，通过供给混合气体，在时刻t6将腔室6内的压力恢复至气压P2。气压P2比气压P1高且比常压Ps低，例如为约5000Pa。在第二实施方式中，由于一旦将腔室6内的压力减压至气压P1后就恢复至比上述气压P1高的气压P2，因此，能够将恢复压力后的腔室6内的氧气浓度变为约200ppb以下。
在腔室6内的压力恢复至气压P2的时刻t6以后，向腔室6的供给的氨气与氮气的混合气体的供给流量和来自腔室6的排气流量相等，从而将腔室6内的压力维持为气压P2。并且，一边将腔室6内的压力维持为气压P2，一边利用卤素灯HL进行半导体晶片W的预备加热，然后，在时刻t7，从闪光灯FL向半导体晶片W的表面照射闪光来进行闪光加热。预备加热以及闪光加热处理的内容与第一实施方式相同。通过在氨气的气体环境中利用闪光照射将半导体晶片W的表面升温至处理温度T2，来执行高介电常数膜103的成膜后热处理。
在完成闪光加热处理后，通过关闭用于供气的阀84并将腔室6内的压力再次减压至气压P1，从腔室6内的热处理空间65排出有害的氨气。接着，关闭用于排气的阀89并打开用于供气的阀84，从气体供给源85向腔室6内供给氮气而恢复至常压Ps。另外，也关闭卤素灯HL，由此，半导体晶片W也从预备加热温度T1降温。然后，将降温至规定温度的半导体晶片W从热处理装置1的腔室6搬出的顺序与第一实施方式相同。
在第二实施方式中，由于一旦将腔室6内的压力减压至比大气压低的气压P1后就供给氨气与氮气的混合气体而恢复至气压P2，因此，与第一实施方式相同，能够将执行高介电常数膜103的成膜后热处理时的腔室6内的热处理空间65的氧气浓度变为约200ppb以下。因此，能够抑制高介电常数膜103的基层的二氧化硅膜102在成膜后热处理中从热处理空间65吸取氧气而膜厚增大。
另外，与第一实施方式相同，由于以小于1秒的照射时间从闪光灯FL向半导体晶片W的表面照射闪光而在极短时间内将晶片表面升温至处理温度T2，并且，成膜后热处理的处理时间极短且氧气没有足够的扩散时间，因此，能够抑制高介电常数膜103的基层的二氧化硅膜102的膜厚增大。
另外，在第二实施方式中，在腔室6内的压力为比大气压低的气压P2即减压下，向半导体晶片W的表面照射闪光来进行高介电常数膜103的成膜后热处理。在减压下，由于气体分子的密度小，因此，平均自由程变长。其结果，若在减压下进行高介电常数膜103的成膜后热处理，由于氨气的平均自由程变长，则能够使氨气与高介电常数膜103的热处理反应变得均匀。但是，若在减压下进行高介电常数膜103的成膜后热处理，如第一实施方式所示，与在常压下进行处理的情况相比，氨气的分压本身显著地变低。因此，如第一实施方式所示，在常压下进行高介电常数膜103的成膜后热处理能够更大地进行高介电常数膜103的氮化处理。
另外，若在减压下进行高介电常数膜103的成膜后热处理，则能够促进包含于堆积后的高介电常数膜103的杂质(例如，碳(C))的脱离。通过将这样脱离的杂质元素从腔室6排出，能够防止该杂质再次附着在半导体晶片W的表面而造成污染。其结果，能够防止设备性能的劣化以及成品率的降低。
另外，由于利用腔室6内的气体能够使卤素光以及闪光的吸光变少，因此，能够提高预备加热时以及闪光加热时的升温效率。其结果，能够使闪光加热时的半导体晶片W的表面到达温度变高。
另外，通过在减压下进行半导体晶片W的加热处理，能够降低腔室6内的对流的影响，从而能够提高半导体晶片W的面内温度分布的均匀性。
而且，在第二实施方式中，在将腔室6内的压力从气压P1恢复时，不恢复至常压Ps，而恢复至比大气压低的气压P2。因此，与如第一实施方式那样将腔室6内的压力恢复至常压Ps的情况相比，如第二实施方式所示，若恢复至气压P2，则能够使恢复压力所需的时间变短。并且，因缩短恢复压力所需的时间，从而能够使闪光照射的时机提前(如图11所示，第二实施方式中的闪光照射的时刻t7比第一实施方式中的闪光照射的时刻t5早)。其结果，如第二实施方式所示，将腔室6内的压力恢复至比大气压低的气压P2能够提高热处理装置1中的生产能力。
<第三实施方式>
接着，说明本发明的第三实施方式。第三实施方式的热处理装置1的结构与第一实施方式完全相同。另外，第三实施方式的热处理装置1中的半导体晶片W的处理顺序也与第一实施方式大致相同。第三实施方式与第一实施方式的不同点在于，腔室6内的压力变化。
图12是表示第三实施方式中的腔室6内的压力变化的图。在图12中，与图10相同，横轴表示时刻，纵轴表示腔室6内的压力。
与第一实施方式相同，在形成有高介电常数膜103的半导体晶片W容纳于腔室6内而搬送开口部66被关闭的时刻，腔室6内的压力为常压Ps(＝大气压＝约101325Pa)。并且，在时刻t1，开始进行腔室6内的减压。在第三实施方式中，将三条旁通路径197、198、199的排气流量设为恒定，并且，利用流量调整阀196使来自腔室6的排气流量随着时间的推移连续地增加。即，在减压的初始阶段以比较小的排气流量开始排气，并逐渐地使排气流量连续地增加。这样一来，与第一实施方式相同，能够防止腔室6内的颗粒的卷起，并且也能够防止排气部190的除害装置超负荷。另外，通过以无级的方式使排气流量连续地增加，能够防止因排气流量的急剧变化所引起的颗粒的卷起。
在腔室6内的压力到达了气压P1的时刻t3，关闭用于排气的阀89并打开用于供气的阀84，从气体供给源85向腔室6内的热处理空间65供给氨气与作为稀释气体的氮气的混合气体而使腔室6内恢复压力。此外，气压P1为例如约100Pa。
在第三实施方式中，利用流量调整阀90使向腔室6供给的处理气体的供气流量随着时间的推移连续地增加。即，在恢复压力的初始阶段以比较小的供气流量开始供气，并逐渐地使供气流量连续地增加。与减压时相同，若从恢复压力开始时以大的供气流量快速地进行供气，则附着在腔室6的结构物上的颗粒可能被卷起。通过在恢复压力的初始阶段以小的供气流量静静地开始供气并逐渐地使排气流量变大，能够防止腔室6内的颗粒的卷起。另外，通过以无级的方式使供气流量连续地增加，也能够防止因供气流量的急剧变化所引起的颗粒的卷起。
另外，在第三实施方式中，通过向腔室6供给混合气体，在时刻t8，将腔室6内的压力恢复至大于常压Ps的气压P3。气压P3比大气压高，例如为约0.15MPa。在第三实施方式中，由于一旦将腔室6内的压力减压至气压P1后就恢复至比上述气压P1高的气压P3，因此，能够将恢复压力后的腔室6内的氧气浓度变为约200ppb以下。
在将腔室6内的压力恢复至气压P3的时刻t8以后，向腔室6的供给的氨气与氮气的混合气体的供给流量和来自腔室6的排气流量相等，从而将腔室6内的压力维持为气压P3。并且，一边将腔室6内的压力维持为气压P3，一边利用卤素灯HL进行半导体晶片W的预备加热，然后，在时刻t9，从闪光灯FL向半导体晶片W的表面照射闪光来进行闪光加热。预备加热以及闪光加热处理的内容与第一实施方式相同。在氨气的气体环境中，通过利用闪光照射加热半导体晶片W的表面，来执行高介电常数膜103的成膜后热处理。
在完成闪光加热处理后，通过关闭用于供气的阀84并再次将腔室6内的压力减压至气压P1，从腔室6内的热处理空间65排出有害的氨气。此时，利用流量调整阀196使来自腔室6的排气流量随着时间的推移连续地增加，由此，能够防止因排气所引起的颗粒的卷起。
接着，关闭用于排气的阀89并打开用于供气的阀84，从气体供给源85向腔室6内供给氮气而恢复至常压Ps。此时，通过利用流量调整阀90使向腔室6供给的供气流量随着时间的推移连续地增加，能够防止因供气所引起的颗粒的卷起。
另外，也关闭卤素灯HL，由此，半导体晶片W从预备加热温度T1降温。然后，将降温至规定温度的半导体晶片W从热处理装置1的腔室6搬出的顺序与第一实施方式相同。
但是，作为在腔室6内卷起颗粒的主要原因，除了对腔室6的供排气以外，还有闪光照射。在来自闪光灯FL的闪光照射时，由于半导体晶片W的表面瞬间地升温，另一方面，背面并没有从预备加热温度T1升温，因此，在表面以及背面产生大的温度差，由此，只有表面热膨胀，从而半导体晶片W急剧地变形。其结果，通过半导体晶片W在基座74上振动，产生颗粒，从而在腔室6内被卷起。
为了从腔室6有效地排出这样的因闪光照射所产生的颗粒，在第三实施方式中，在完成闪光加热处理并排出氨气后，向腔室6内供给氮气而恢复至常压Ps时，通过使氮气以50L/min至100L/min的流量流入腔室6内，能够冲走因闪光照射所产生的颗粒。由此，能够防止因闪光照射所产生的颗粒附着在半导体晶片W上而造成污染。
此外，在排出氨气后向腔室6内供给氮气而恢复至常压Ps时，也可以在打开用于排气的阀89的状态下也打开用于供气的阀84向腔室6内供给氮气。这样一来，能够从腔室6更加有效地排出因闪光照射所产生的颗粒。
在第三实施方式中，由于一旦将腔室6内的压力减压至比大气压低的气压P1后就供给氨气与氮气的混合气体而恢复至气压P3，因此，与第一实施方式相同，能够将执行高介电常数膜103的成膜后热处理时的腔室6内的热处理空间65的氧气浓度变为约200ppb以下。因此，能够抑制高介电常数膜103的基层的二氧化硅膜102在成膜后热处理中从热处理空间65吸取氧气而膜厚增大。
另外，与第一实施方式相同，由于以小于1秒的照射时间从闪光灯FL向半导体晶片W的表面照射闪光而使晶片表面在极短时间内升温，并且成膜后热处理的处理时间极短且氧气没有足够的扩散时间，因此，能够抑制高介电常数膜103的基层的二氧化硅膜102的膜厚增大。
另外，在第三实施方式中，在腔室6内的压力为比大气压高的气压P3即加压下，向半导体晶片W的表面照射闪光来进行高介电常数膜103的成膜后热处理。在加压下，氨气的分压也变高，在比第一实施方式的处理温度T2低的温度下也能够促进氮化处理。即，能够使闪光照射时的处理温度更低温化。
而且，在第三实施方式中，在腔室6内的减压时以及恢复压力时，以无级的方式使排气流量以及供气流量连续地变化。由此，能够防止因供排气的急剧变化所引起的颗粒的卷起。
<第四实施方式>
接着，说明本发明的第四实施方式。第四实施方式的热处理装置1的结构与第一实施方式完全相同。另外，第四实施方式的热处理装置1中的半导体晶片W的处理顺序也与第一实施方式大致相同。第四实施方式与第一实施方式的不同点在于，半导体晶片W的热处理时的气体环境的控制。
在第一实施方式中，在氨气的气体环境中一起进行半导体晶片W的预备加热以及闪光加热，但是，在第四实施方式中，在进行闪光加热处理时，停止氨气的供给。具体地说，与第一实施方式相同，在形成有高介电常数膜103的半导体晶片W容纳在腔室6内后，一旦将腔室6内的压力减压至气压P1后向腔室6内的热处理空间65供给氨气与作为稀释气体的氮气的混合气体而恢复至常压Ps。
在腔室6内的压力恢复至常压Ps后，卤素加热部4的40根卤素灯HL点亮，开始半导体晶片W的预备加热。在该预备加热的阶段，向腔室6供给氨气与氮气的混合气体，并且也进行来自腔室6的排气，从而将腔室6内的压力维持为常压Ps。即，在预备加热工序中，向腔室6内供给氨气与氮气的混合气体而形成氨气的气体环境。通过在氨气的气体环境中进行将半导体晶片W升温至预备加热温度T1的预备加热，能够进行一定程度的高介电常数膜103的氮化。
接着，在第四实施方式中，在进行来自闪光灯FL的闪光照射前，停止向腔室6内供给氨气。在停止供给氨气时，可以增加相当于减少的氨气供给流量的流量的氮气供给，或者也可以减少排气流量。无论是哪种情况，在停止氨气的供给后，将腔室6内的压力维持为常压Ps。
通过一边继续从腔室6排气一边停止氨气的供给，使得腔室6内的氨气浓度降低。并且，在腔室6内的氨气浓度变为停止氨气的供给前的十分之一以下的时刻，通过从闪光灯FL照射闪光来执行闪光加热处理。此外，为了进行该发光控制，也可以在腔室6内设置用于测定氨气的气体浓度的浓度计，也可以预先通过实验求出氨气浓度变为十分之一以下为止的时间，并在停止氨气供给后经过该时间的时刻进行闪光照射。
通过在停止对腔室6供给氨气的状态下向半导体晶片W照射闪光，能够抑制高介电常数膜103的氮化，并且能够使在预备加热工序与氨气反应而进入高介电常数膜103的氢气脱离。
闪光加热处理后的顺序也与第一实施方式相同。具体地说，在完成闪光加热处理后，再次将腔室6内的压力减压至气压P1，接着，向腔室6内供给氮气而恢复至常压Ps。另外，也关闭卤素灯HL，并将降温至规定温度的半导体晶片W从热处理装置1的腔室6搬出。
在第四实施方式中，通过在预备加热工序向腔室6内供给氨气，并且在闪光照射时停止向腔室6内供给氨气，能够使高介电常数膜103在一定程度上氮化，能够使进入高介电常数膜103的氢气脱离。
<变形例>
上面，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明只要不脱离其宗旨，就能够进行上述实施方式以外的各种变更。例如，在上述各实施方式中，将对腔室6内减压时的到达压力即气压P1设为约100Pa，但并不限定于此，也能够设定为合适的值。为了将腔室6内的到达氧气浓度下降至十分之一左右，将对腔室6内减压时的到达压力即气压P1设为大气压的约十分之一(约10000Pa)即可。若将气压P1设为更低的低压(即，若减压至更低的高真空)，虽然在恢复压力后能够将残留在腔室6内的氧气浓度变得更低，但是到达气压P1为止的减压时间变长。因此，优选地，根据执行成膜后热处理时所需的氧气浓度和生产能力的平衡来设定气压P1。
另外，优选地，对腔室6内减压时的到达压力即气压P1设为半导体晶片W的热处理时的腔室6内的气压即恢复压力时的目标气压(在第一实施方式中为常压Ps，在第二实施方式中为气压P2，在第三实施方式中为气压P3)的百分之一以下。这样一来，能够减少残留空气对半导体晶片W的热处理时的氨气的气体环境的影响。
另外，在上述各实施方式中，通过设置三条旁通路径197、198、199来控制来自腔室6的排气流量，但旁通路径的条数为两条以上即可。另外，也可以通过设置节流阀或气镇来代替设置多条旁通路径197、198、199，对来自腔室6的排气流量进行控制。另外，也可以使用质量流量控制器来代替流量调整阀90、196。
在第一以及第二实施方式中，在减压时将来自腔室6的排气流量切换为两个等级，在第三实施方式中，以无级的方式使排气流量连续地增加，但并不限定于此，例如，也可以将排气流量切换为多个等级。即，对腔室6内减压时的排气流量是随着时间的推移而增加的方式即可。
同样地，就恢复压力时向腔室6供给的供气流量而言，在第三实施方式中，以无级的方式使供气流量连续地增加，但也可以切换为两个等级或多个等级使供气流量增加。即，将腔室6内恢复压力时的供气流量是随着时间的推移而增加的方式即可。
另外，在进行腔室6内的减压以及恢复压力时，控制部3也可以基于从减压开始时(时刻t1)的经过时间来控制各种阀等，也可以基于利用压力计180测定的热处理空间65的压力的测定结果对各种阀等进行反馈控制。在基于经过时间进行控制的情况下，可通过实验或模拟来求得经过时间与腔室6内的压力的关系。
另外，在上述各实施方式中，向腔室6内供给氨气与氮气的混合气体，但并不限定于此，作为与氨气混合的稀释气体，能够使用氢气(H2)、氩气(Ar)、氦气(He)、氙气(Xe)等。能够将上述任意一种气体与氨气的混合气体向热处理空间65供给而在腔室6内形成氨气的气体环境。特别地，氦气是吸热能力高而作为冷却气体使用的气体，若使用氨气与氦的混合气体，则能够提高闪光加热处理后的半导体晶片W的冷却速度。
另外，作为处理气体，能够使用氮氧化物和氧气、臭氧等氧气类的反应性气体。例如，存在导入微量的臭氧来进行高介电常数膜的热处理的情况。在这样的情况下，若充分地降低成为后台的腔室6内的残留氧气浓度，则臭氧等的氧气类气体的浓度的控制性降低。与上述实施方式相同，通过使腔室6内的热处理空间65的氧气浓度降低，能够提高氧气类气体的浓度的控制性，即使在使用氧气类的反应性气体的情况下，本发明的技术也是有意义的。
另外，在第四实施方式中，也可以在停止氨气的供给的同时，开始腔室6内的减压。在该情况下，半导体晶片W的预备加热在常压的氨气的气体环境中进行，并且一边进行减压一边进行闪光加热。
另外，在上述各实施方式中，对在作为界面层膜的二氧化硅膜102上形成有作为栅绝缘膜的高介电常数膜103的半导体晶片W(图9)进行热处理，但也可以对在高介电常数膜103上再堆积金属栅极的状态的半导体晶片W进行热处理。作为金属栅极的坯料，能够使用例如氮化钛(TiN)、钛铝(TiAl)、钨(W)等。以与上述各实施方式相同的顺序对在高介电常数膜103上形成有金属栅极的半导体晶片W进行预备加热以及闪光加热处理。由此，能够进行使在成膜后的高介电常数膜103中存在的多个缺陷被消除的成膜后热处理。
在对形成金属栅极的状态的半导体晶片W进行热处理的情况下，存在金属栅极自身被氧化的情况。另外，也存在氧气通过金属栅极以及高介电常数膜103扩散而二氧化硅膜102的膜厚增大的情况。如上述各实施方式所示，若通过一旦将腔室6内的压力减压至气压P1后恢复压力，将腔室6内变为极低的氧气浓度来对半导体晶片W进行预备加热以及闪光加热处理，则能够抑制二氧化硅膜102的膜厚增大，并且也能够防止金属栅极自身的氧化。
另外，基材101的材质并不限定于硅，也可以是锗(Ge)或硅锗。在基材101的材质采用硅以外的材质的情况下，就形成于高介电常数膜103的基层的界面层膜而言，也存在二氧化硅以外的材质。
Claims (16)
1.一种热处理方法，其特征在于，通过向形成有高介电常数膜的基板照射闪光来加热该基板，所述热处理方法包括：
搬入工序，将形成有高介电常数膜的基板搬入腔室内，
减压工序，将所述腔室内的压力减压至比大气压低的第一压力，
恢复压力工序，将所述腔室内的压力从第一压力恢复至比第一压力高的第二压力，
照射工序，一边将所述腔室内的压力维持为第二压力，一边从闪光灯向所述基板的表面照射闪光；
所述第二压力比所述第一压力高且比大气压低。
2.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，
在所述恢复压力工序中，向所述腔室内导入含有氨气的反应性气体。
3.如权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，
所述第一压力为所述第二压力的百分之一以下。
4.如权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，
还包括预备加热工序，其在所述照射工序前，将所述基板升温至规定的预备加热温度，
在所述预备加热工序中，向所述腔室内供给所述反应性气体，并且在所述照射工序以后，停止向所述腔室内供给所述反应性气体。
5.如权利要求4所述的热处理方法，其特征在于，
在停止所述反应性气体的供给的同时，开始进行所述腔室内的减压。
6.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，
在所述减压工序中，使来自所述腔室的排气流量随着时间的推移而增加。
7.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，
在所述恢复压力工序中，使向所述腔室供给的供气流量随着时间的推移而增加。
8.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，
在所述照射工序后，在排出所述腔室内的气体后向所述腔室内供给非活性气体而恢复至大气压时，使非活性气体以50L/min至100L/min的流量流入所述腔室内。
9.一种热处理装置，其特征在于，通过向形成有高介电常数膜的基板照射闪光来加热该基板，所述热处理装置具有：
腔室，其容纳所述基板，
闪光灯，其向容纳于所述腔室内的所述基板照射闪光，
排气部，其排出所述腔室内的气体，
气体供给部，其向所述腔室供给规定的处理气体，
控制部，其对所述排气部以及所述气体供给部进行控制，使得在将所述腔室内的压力减压至比大气压低的第一压力后，恢复至比第一压力高的第二压力的状态下，从所述闪光灯向所述基板的表面照射闪光；
所述第二压力比所述第一压力高且比大气压低。
10.如权利要求9所述的热处理装置，其特征在于，
在将所述腔室内的压力从第一压力恢复至第二压力时，所述气体供给部向所述腔室内供给含有氨气的反应性气体。
11.如权利要求10所述的热处理装置，其特征在于，
所述第一压力为所述第二压力的百分之一以下。
12.如权利要求10所述的热处理装置，其特征在于，
还具有预备加热部，其在照射所述闪光前，将所述基板升温至规定的预备加热温度，
所述控制部对所述排气部以及所述气体供给部进行控制，使得在利用所述预备加热部对所述基板进行预备加热时，向所述腔室内供给所述反应性气体，并且在照射所述闪光的时刻以后，停止向所述腔室内供给所述反应性气体。
13.如权利要求12所述的热处理装置，其特征在于，
所述控制部对所述排气部以及所述气体供给部进行控制，使得在停止所述反应性气体的供给的同时，开始进行所述腔室内的减压。
14.如权利要求9所述的热处理装置，其特征在于，
所述控制部对所述排气部进行控制，使得在将所述腔室内的压力减压至所述第一压力时，来自所述腔室的排气流量随着时间的推移而增加。
15.如权利要求9所述的热处理装置，其特征在于，
所述控制部对所述气体供给部进行控制，使得在将所述腔室内的压力从所述第一压力恢复至所述第二压力时，向所述腔室供给的供气流量随着时间的推移而增加。
16.如权利要求9所述的热处理装置，其特征在于，
所述控制部对所述排气部以及所述气体供给部进行控制，使得在照射所述闪光后，在排出所述腔室内的气体后向所述腔室内供给非活性气体而恢复至大气压时，使非活性气体以50L/min至100L/min的流量流入所述腔室内。
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