CN111668135A - 热处理方法及热处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够形成较薄且特性良好的氧化膜的热处理方法及热处理装置。将硅半导体晶片W搬入到腔室6内，在氮气体氛围中，通过来自卤素灯HL的光照射开始半导体晶片W的预加热。当在预加热的中途半导体晶片W的温度达到特定的切换温度时，对腔室6内供给氧气而将腔室6内从氮气体氛围切换为氧气体氛围。然后，通过闪光照射将半导体晶片W的表面进行极短时间的加热。在半导体晶片W的温度为小于切换温度的相对低温时，氧化受到抑制，在其温度成为高温后进行氧化。其结果，能够在半导体晶片W的表面形成致密且与硅基层的界面的缺陷较少的特性良好的较薄氧化膜。

Description

热处理方法及热处理装置
技术领域
本发明涉及一种通过对半导体晶片等薄板状精密电子基板(以下，简称作“基板”)照射光而将该基板加热从而形成氧化膜的热处理方法及热处理装置。
背景技术
以往，作为场效晶体管(FET)的栅极绝缘膜，广泛使用将硅(Si)氧化而成的二氧化硅(SiO2)的薄膜，但近年来正在替换为使用介电常数较二氧化硅高的材料的高介电常数膜(High-k膜)。关于高介电常数膜，为了解决随着栅极绝缘膜的薄膜化的进展而漏电流增大的问题，业界正进行在栅极电极使用金属的金属栅极电极以及随之新的堆叠构造的开发。
即便在使用高介电常数膜作为栅极绝缘膜的情况下，也在硅基层与高介电常数膜之间形成作为界面层膜(基底膜)的二氧化硅薄膜(例如，专利文献1)。其原因在于：当在硅基层上直接成膜高介电常数膜时，界面的缺陷变多而漏电流增大。通过在硅基层与高介电常数膜之间形成二氧化硅薄膜，界面的匹配性提升而漏电流减少。即，硅氧化膜的形成可以说是半导体器件的制造技术中重要的要素之一。
[先前技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2017-045982号公报
发明内容
[发明要解决的问题]
典型来说，硅氧化膜通过热氧化法而形成。通过在氧化气体氛围中在高温下对硅进行处理，形成与硅的界面的匹配性良好的硅氧化膜。
但，在以往的热氧化法中，在将硅晶片搬入到氧化用的炉内时，从低于所需的氧化温度的温度便开始硅的氧化反应，因此，存在无法获得特性足够良好的硅氧化膜的情况。另外，在以往的热氧化法中，在炉内历时相对长时间将硅热氧化，因此，难以在纳米级控制硅氧化膜的膜厚。
本发明是鉴于所述问题而完成的，其目的在于提供一种能够形成较薄且特性良好的氧化膜的热处理方法及热处理装置。
[解决问题的技术手段]
为了解决所述问题，技术方案1的发明是一种通过对基板照射光而将该基板加热从而形成氧化膜的热处理方法，其特征在于具备：收容工序，将基板收容到腔室内；加热工序，对所述基板照射光而将所述基板加热；及气体氛围切换工序，当在所述加热工序的中途所述基板达到特定的切换温度时，对所述腔室内供给氧化性气体而将所述腔室内从惰性气体氛围切换为氧化气体氛围。
另外，技术方案2的发明是根据技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于：所述加热工序包括：预加热工序，从连续点亮灯对所述基板照射光；及闪光加热工序，在所述预加热工序后，从闪光灯对所述基板照射闪光；且在所述预加热工序的中途，开始向所述腔室内供给所述氧化性气体。
另外，技术方案3的发明是根据技术方案2的发明的热处理方法，其特征在于：在所述腔室内的所述氧化性气体的浓度达到特定值时，照射所述闪光。
另外，技术方案4的发明是根据技术方案2的发明的热处理方法，其特征在于：通过对所述基板照射闪光，而在所述基板的表面形成氧化膜，并且将注入到所述基板中的杂质活化。
另外，技术方案5的发明是根据技术方案1至4中任一项的发明的热处理方法，其特征在于：在所述加热工序结束后，停止向所述腔室内供给所述氧化性气体，并且将所述腔室内减压。
另外，技术方案6的发明是根据技术方案1至4中任一项的发明的热处理方法，其特征在于：在所述加热工序结束后，停止向所述腔室内供给所述氧化性气体，并且对所述腔室内供给氢气。
另外，技术方案7的发明是根据技术方案1至4中任一项的发明的热处理方法，其特征在于：在所述加热工序结束后，停止向所述腔室内供给所述氧化性气体，并且对所述腔室内供给氩气或氙气。
另外，技术方案8的发明是根据技术方案1的发明的热处理方法，其特征在于：所述基板是硅基板，所述氧化性气体是选自由氧气、臭氧、氧自由基及水蒸气所组成的群中的一种气体。
另外，技术方案9的发明是根据技术方案8的发明的热处理方法，其特征在于：在所述气体氛围切换工序中，在所述氧化性气体中混合惰性气体而供给到所述腔室内。
另外，技术方案10的发明是根据技术方案8或9的发明的热处理方法，其特征在于：所述切换温度为400℃以上。
另外，技术方案11的发明是一种通过对基板照射光而将该基板加热从而形成氧化膜的热处理装置，其特征在于具备：腔室，收容基板；光照射部，对所述基板照射光而将所述基板加热；气体供给部，对所述腔室内供给氧化性气体；及控制部，以当在通过来自所述光照射部的光照射将所述基板加热的中途所述基板达到特定的切换温度时，对所述腔室内供给所述氧化性气体而将所述腔室内从惰性气体氛围切换为氧化气体氛围的方式控制所述气体供给部。
另外，技术方案12的发明是根据技术方案11的发明的热处理装置，其特征在于：所述光照射部包括：连续点亮灯，对所述基板照射光而将所述基板预加热；及闪光灯，在所述预加热后，对所述基板照射闪光；且所述控制部以在所述预加热的中途开始向所述腔室内供给所述氧化性气体的方式控制所述气体供给部。
另外，技术方案13的发明是根据技术方案12的发明的热处理装置，其特征在于：所述闪光灯在所述腔室内的所述氧化性气体的浓度达到特定值时，照射所述闪光。
另外，技术方案14的发明是根据技术方案12的发明的热处理装置，其特征在于：通过所述闪光灯对所述基板照射闪光，而在所述基板的表面形成氧化膜，并且将注入到所述基板中的杂质活化。
另外，技术方案15的发明是根据技术方案11至14中任一项的发明的热处理装置，其特征在于进而具备将所述腔室内减压的减压部，且在利用来自所述光照射部的光照射进行的所述基板的加热结束后，所述气体供给部停止向所述腔室内供给所述氧化性气体，并且所述减压部将所述腔室内减压。
另外，技术方案16的发明是根据技术方案11至14中任一项的发明的热处理装置，其特征在于：在利用来自所述光照射部的光照射进行的所述基板的加热结束后，所述气体供给部停止向所述腔室内供给所述氧化性气体，并且对所述腔室内供给氢气。
另外，技术方案17的发明是根据技术方案11至14中任一项的发明的热处理装置，其特征在于：在利用来自所述光照射部的光照射进行的所述基板的加热结束后，所述气体供给部停止向所述腔室内供给所述氧化性气体，并且对所述腔室内供给氩气或氙气。
另外，技术方案18的发明是根据技术方案11的发明的热处理装置，其特征在于：所述基板是硅基板，所述氧化性气体是选自由氧气、臭氧、氧自由基及水蒸气所组成的群中的一种气体。
另外，技术方案19的发明是根据技术方案18的发明的热处理装置，其特征在于：所述气体供给部在所述氧化性气体中混合惰性气体而供给到所述腔室内。
另外，技术方案20的发明是根据技术方案18或19的发明的热处理装置，其特征在于：所述切换温度为400℃以上。
[发明的效果]
根据技术方案1至10的发明，当在加热工序的中途基板达到特定的切换温度时，对腔室内供给氧化性气体而将腔室内从惰性气体氛围切换为氧化气体氛围，因此，在基板的温度为小于切换温度的相对低温时，氧化受到抑制，在其温度成为高温后进行氧化，从而能够在基板上形成较薄且特性良好的氧化膜。
尤其是，根据技术方案5的发明，在加热工序结束后，停止向腔室内供给氧化性气体，并且将腔室内减压，因此，能够使氧化膜的生长迅速地停止而适当地控制膜厚。
根据技术方案11至20的发明，当在通过来自光照射部的光照射将基板加热的中途基板达到特定的切换温度时，对腔室内供给氧化性气体而将腔室内从惰性气体氛围切换为氧化气体氛围，因此，在基板的温度为小于切换温度的相对低温时，氧化受到抑制，在其温度成为高温后进行氧化，从而能够在基板上形成较薄且特性良好的氧化膜。
尤其是，根据技术方案15的发明，在利用来自光照射部的光照射进行的基板的加热结束后，气体供给部停止向腔室内供给氧化性气体，并且减压部将腔室内减压，因此，能够使氧化膜的生长迅速地停止而适当地控制膜厚。
附图说明
图1是表示本发明的热处理装置的构成的纵剖视图。
图2是表示保持部的整体外观的立体图。
图3是晶座的俯视图。
图4是晶座的剖视图。
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是表示本发明的热处理方法的顺序的流程图。
图9是表示半导体晶片的表面温度的变化的图。
图10是表示腔室内的氧浓度的变化的图。
图11是表示腔室内的压力变化的图。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边对本发明的实施方式进行详细说明。
首先，对本发明的热处理装置进行说明。图1是表示本发明的热处理装置1的构成的纵剖视图。图1的热处理装置1是通过对作为基板的圆板形状的半导体晶片W进行闪光照射而将该半导体晶片W加热的闪光灯退火装置。成为处理对象的半导体晶片W的尺寸并无特别限定，例如为φ300mm或φ450mm。此外，在图1及之后的各图中，视需要对各部分的尺寸或数量进行夸大或简化描绘以便于理解。
热处理装置1具备收容半导体晶片W的腔室6、内置多个闪光灯FL的闪光加热部5、及内置多个卤素灯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。热处理装置1具备对腔室6内供给处理气体的气体供给部90。另外，热处理装置1在腔室6的内部具备将半导体晶片W保持水平姿势的保持部7、及在保持部7与装置外部之间进行半导体晶片W的交接的移载机构10。进而，热处理装置1具备控制部3，该控制部3控制卤素加热部4、闪光加热部5及设置在腔室6内的各动作机构而执行半导体晶片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。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而将其封闭，在下侧开口安装下侧腔室窗64而将其封闭。构成腔室6的天花板部的上侧腔室窗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内的石英窗而发挥功能。另外，构成腔室6的地板部的下侧腔室窗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内的石英窗而发挥功能。
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均形成为圆环状。上侧的反射环68通过从腔室侧部61的上侧嵌入而安装。另一方面，下侧的反射环69通过从腔室侧部61的下侧嵌入并利用省略图示的螺钉固定而安装。即，反射环68、69均装卸自如地安装在腔室侧部61。腔室6的内侧空间，也就是由上侧腔室窗63、下侧腔室窗64、腔室侧部61及反射环68、69包围的空间被界定为热处理空间65。
通过在腔室侧部61安装反射环68、69，而在腔室6的内壁面形成凹部62。即，形成由腔室侧部61的内壁面中未安装反射环68、69的中央部分、反射环68的下端面、及反射环69的上端面包围的凹部62。凹部62在腔室6的内壁面沿着水平方向形成为圆环状，围绕保持半导体晶片W的保持部7。腔室侧部61及反射环68、69由强度及耐热性优异的金属材料(例如，不锈钢)形成。
另外，在腔室侧部61形成设置有搬送开口部(炉口)66，该搬送开口部(炉口)66用以相对于腔室6进行半导体晶片W的搬入及搬出。搬送开口部66能够利用闸阀185而打开及关闭。搬送开口部66与凹部62的外周面连通连接。因此，在闸阀185将搬送开口部66打开时，可从搬送开口部66通过凹部62将半导体晶片W搬入热处理空间65及将半导体晶片W从热处理空间65搬出。另外，如果闸阀185将搬送开口部66封闭，则腔室6内的热处理空间65成为密闭空间。
进而，在腔室侧部61穿设有贯通孔61a。在腔室侧部61的外壁面的设置有贯通孔61a的部位，安装有辐射温度计20。贯通孔61a是用以将从保持在下述的晶座74的半导体晶片W的下表面辐射的红外光引导到辐射温度计20的圆筒状的孔。贯通孔61a以其贯通方向的轴与保持在晶座74的半导体晶片W的主面相交的方式，相对于水平方向倾斜地设置。在贯通孔61a的面向热处理空间65侧的端部，安装有使辐射温度计20能够测定的波长范围的红外光透过的包含氟化钡材料的透明窗21。辐射温度计20经由透明窗21接收从半导体晶片W的下表面辐射的红外光，根据该红外光的强度测定半导体晶片W的温度。
另外，在腔室6的内壁上部形成设置有气体供给孔81，该气体供给孔81对热处理空间65供给处理气体。气体供给孔81形成设置在较凹部62更靠上侧位置，也可设置在反射环68。气体供给孔81经由呈圆环状形成在腔室6的侧壁内部的缓冲空间82而与气体供给部90的供给配管83连通连接。供给配管83分成两叉，其中一个与氧气供给源93连接，另一个与氮气供给源94连接。在从供给配管83分支而与氧气供给源93连接的配管，设置有阀91，在与氮气供给源94连接的配管设置有阀92。如果打开阀91，则从氧气供给源93输送氧气(O2)到供给配管83。另一方面，如果打开阀92，则从氮气供给源94输送氮气(N2)到供给配管83。如果将阀91及阀92它们两个打开，则输送氧气与氮气的混合气体到供给配管83。由氧气供给源93、氮气供给源94、阀91、阀92及供给配管83构成热处理装置1的气体供给部90。从供给配管83输送的处理气流入到缓冲空间82，以在流体阻力小于气体供给孔81的缓冲空间82内扩散的方式流动，从气体供给孔81供给到热处理空间65内。此外，氧气及氮气各自的供给流量能够利用设置在分支的配管上的省略图示的流量调整阀等来进行调整。
另一方面，在腔室6的内壁下部形成设置有气体排出孔86，该气体排出孔86将热处理空间65内的气体排出。气体排出孔86形成设置在较凹部62更靠下侧位置，也可设置在反射环69上。气体排出孔86经由呈圆环状形成在腔室6的侧壁内部的缓冲空间87而与气体排出管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的路径中途插入有阀89。如果打开阀89，则热处理空间65的气体从气体排出孔86经由缓冲空间87而向气体排出管88排出。此外，气体供给孔81及气体排出孔86也可沿着腔室6的圆周方向设置多个，也可为狭缝状。
另外，在搬送开口部66的前端，也连接有将热处理空间65内的气体排出的气体排出管191。气体排出管191经由阀192而与排气部190连接。通过将阀192打开，而经由搬送开口部66排出腔室6内的气体。
排气部190具备排气泵。通过一边使排气部190作动一边将阀89、192打开，使腔室6内的气体氛围从气体排出管88、191向排气部190排出。当在不从气体供给孔81进行任何气体供给的情况下利用排气部190对密闭空间即热处理空间65的气体氛围排气时，能够将腔室6内减压到小于大气压的气压。即，排气部190也作为将腔室6内减压的减压部发挥功能。
图2是表示保持部7的整体外观的立体图。保持部7具备基台环71、连结部72及晶座74而构成。基台环71、连结部72及晶座74均由石英形成。即，保持部7的整体由石英形成。
基台环71是从圆环形状缺失一部分而成的圆弧形状的石英构件。该缺失部分是为了防止下述的移载机构10的移载臂11与基台环71的干渉而设置。基台环71载置在凹部62的底面，由此被支撑在腔室6的壁面(参照图1)。在基台环71的上表面，沿着其圆环形状的圆周方向竖立设置多个连结部72(在本实施方式中为4个)。连结部72也是石英构件，通过焊接而固定在基台环71。
晶座74由设置在基台环71的4个连结部72支撑。图3是晶座74的俯视图。另外，图4是晶座74的剖视图。晶座74具备保持板75、导引环76及多个基板支撑销77。保持板75是由石英形成的大致圆形的平板状构件。保持板75的直径大于半导体晶片W的直径。即，保持板75具有大于半导体晶片W的平面尺寸。
在保持板75的上表面周缘部设置有导引环76。导引环76是具有大于半导体晶片W的直径的内径的圆环形状的构件。例如，在半导体晶片W的直径为φ300mm的情况下，导引环76的内径为φ320mm。导引环76的内周形成为从保持板75朝向上方扩展般的锥面。导引环76由与保持板75相同的石英形成。导引环76可熔接在保持板75的上表面，也可利用另外加工的销等而固定在保持板75。或者，也可将保持板75与导引环76加工为一体的构件。
保持板75的上表面中较导引环76更靠内侧的区域形成为保持半导体晶片W的平面状的保持面75a。在保持板75的保持面75a竖立设置有多个基板支撑销77。在本实施方式中，沿着与保持面75a的外周圆(导引环76的内周圆)为同心圆的圆周上，均隔30°地竖立设置有共计12个基板支撑销77。配置有12个基板支撑销77的圆的直径(对向的基板支撑销77间的距离)小于半导体晶片W的直径，如果半导体晶片W的直径为φ300mm，则该圆的直径为φ270mm～φ280mm(在本实施方式中为φ270mm)。各个基板支撑销77由石英形成。多个基板支撑销77可通过焊接而设置在保持板75的上表面，也可与保持板75加工成一体。
返回到图2，竖立设置在基台环71的4个连结部72与晶座74的保持板75的周缘部通过焊接而固定。即，晶座74与基台环71利用连结部72而固定地连结。这种保持部7的基台环71支撑在腔室6的壁面，由此，将保持部7安装在腔室6。在保持部7安装在腔室6的状态下，晶座74的保持板75成为水平姿势(法线与铅直方向一致的姿势)。即，保持板75的保持面75a成为水平面。
搬入到腔室6的半导体晶片W以水平姿势载置并保持在安装在腔室6中的保持部7的晶座74上。此时，半导体晶片W由竖立设置在保持板75上的12个基板支撑销77支撑而保持在晶座74。更严格来说，12个基板支撑销77的上端部与半导体晶片W的下表面接触而支撑该半导体晶片W。12个基板支撑销77的高度(从基板支撑销77的上端到保持板75的保持面75a为止的距离)均匀，因此，能够利用12个基板支撑销77将半导体晶片W支撑为水平姿势。
另外，半导体晶片W通过多个基板支撑销77而与保持板75的保持面75a隔开特定的间隔被支撑。导引环76的厚度大于基板支撑销77的高度。因此，通过导引环76而防止由多个基板支撑销77支撑的半导体晶片W的水平方向的位置偏移。
另外，如图2及图3所示，在晶座74的保持板75，上下贯通而形成有开口部78。开口部78是为了供辐射温度计20接收从半导体晶片W的下表面辐射的辐射光(红外光)而设置。即，辐射温度计20经由开口部78及安装在腔室侧部61的贯通孔61a的透明窗21而接收从半导体晶片W的下表面辐射的光，从而测定该半导体晶片W的温度。进而，在晶座74的保持板75穿设有4个贯通孔79，所述4个贯通孔79供下述之移载机构10的顶起销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具备2根移载臂11。移载臂11形成为如沿大致圆环状的凹部62的圆弧形状。在各个移载臂11竖立设置有2根顶起销12。移载臂11及顶起销12由石英形成。各移载臂11能够通过水平移动机构13而旋动。水平移动机构13使一对移载臂11在移载动作位置(图5的实线位置)与退避位置(图5的双点划线位置)之间水平移动，所述移载动作位置是相对于保持部7进行半导体晶片W的移载的位置，所述退避位置是俯视下不与保持在保持部7的半导体晶片W重叠的位置。作为水平移动机构13，可为利用个别的马达使各移载臂11分别旋动的机构，也可为使用连杆机构而通过1个马达使一对移载臂11连动旋动的机构。
另外，一对移载臂11通过升降机构14而与水平移动机构13一起升降移动。当升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置上升时，共计4根顶起销12通过穿设在晶座74的贯通孔79(参照图2、3)，顶起销12的上端从晶座74的上表面突出。另一方面，当升降机构14使一对移载臂11在移载动作位置下降而将顶起销12从贯通孔79拔出，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移动到退避位置。一对移载臂11的退避位置为保持部7的基台环71的正上方。基台环71载置在凹部62的底面，因此，移载臂11的退避位置成为凹部62的内侧。此外，在设置有移载机构10的驱动部(水平移动机构13及升降机构14)的部位的附近，也设置有省略图示的排气机构，以将移载机构10的驱动部周边的气体氛围排出到腔室6的外部的方式构成。
返回到图1，在腔室6设置有氧浓度计99。氧浓度计99测定腔室6内的气体氛围中的氧浓度。
设置在腔室6的上方的闪光加热部5是在壳体51的内侧具备包含多根(在本实施方式中为30根)氙气闪光灯FL的光源、及以将该光源的上方覆盖的方式设置的反射器52而构成。另外，在闪光加热部5的壳体51的底部，安装有灯光辐射窗53。构成闪光加热部5的地板部的灯光辐射窗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，而使灯光辐射窗53与上侧腔室窗63相对向。闪光灯FL从腔室6的上方经由灯光辐射窗53及上侧腔室窗63而将闪光照射到热处理空间65。
多个闪光灯FL是分别具有长条的圆筒形状的棒状灯，以各自的长边方向沿着保持在保持部7的半导体晶片W的主面(也就是沿着水平方向)相互平行的方式呈平面状排列。由此，通过闪光灯FL的排列形成的平面也是水平面。排列有多个闪光灯FL的区域大于半导体晶片W的平面尺寸。
氙气闪光灯FL具备：圆筒形状的玻璃管(放电管)，在其内部封入有氙气且在其两端部配设有与电容器连接的阳极及阴极；及触发电极，附设在该玻璃管的外周面上。氙气是电性绝缘体，因此，即便在电容器中蓄积有电荷，在通常的状态下，也不会在玻璃管内流通电。然而，在对触发电极施加高电压而破坏绝缘的情况下，电容器中蓄积的电瞬间流到玻璃管内，通过此时的氙原子或分子的激发而放出光。在这种氙气闪光灯FL中，将预先蓄积在电容器中的静电能量转换为0.1毫秒至100毫秒的极短光脉冲，因此，与如卤素灯HL般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秒的极短时间瞬间发光的脉冲发光灯。此外，闪光灯FL的发光时间可通过对闪光灯FL进行电力供给的灯电源的线圈常数进行调整。
另外，反射器52在多个闪光灯FL的上方以将它们整体覆盖的方式设置。反射器52的基本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侧的面)通过喷砂处理而被实施粗面化加工。
设置在腔室6的下方的卤素加热部4在壳体41的内侧内置有多根(在本实施方式中40根)卤素灯HL。卤素加热部4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进行光照射而将半导体晶片W加热。
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2段而配置。在靠近保持部7的上段，配设有20根卤素灯HL，并且在较上段远离保持部7的下段，也配设有20根卤素灯HL。各卤素灯HL是具有长条的圆筒形状的棒状灯。在上段、下段，20根卤素灯HL均以各自的长边方向沿着与保持在保持部7的半导体晶片W的主面(也就是沿着水平方向)相互平行的方式排列。由此，在上段、下段通过卤素灯HL的排列形成的平面均为水平面。
另外，如图7所示，在上段、下段，相较于与保持在保持部7的半导体晶片W的中央部对向的区域，与半导体晶片W的周缘部对向的区域中的卤素灯HL的配设密度均更高。即，在上下段，相较于灯排列的中央部，周缘部的卤素灯HL的配设间距均更短。因此，在通过来自卤素加热部4的光照射进行加热时，能够对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，由上段的卤素灯HL构成的灯群与由下段的卤素灯HL构成的灯群以呈格子状交叉的方式排列。即，以配置在上段的20根卤素灯HL的长边方向与配置在下段的20根卤素灯HL的长边方向相互正交的方式配设共计40根卤素灯HL。
卤素灯HL是通过对配置在玻璃管内部的灯丝通电而使灯丝白炽化从而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惰性气体中导入微量的卤素元素(碘、溴等)所得的气体。通过导入卤素元素，能够抑制灯丝的折损并将灯丝的温度设定为高温。因此，卤素灯HL具有与通常的白炽灯泡相比寿命长且能够连续地照射强光的特性。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是棒状灯，因此长寿命，通过使卤素灯HL沿着水平方向配置，而使得向上方的半导体晶片W的辐射效率优异。
另外，在卤素加热部4的壳体41内，也在2段的卤素灯HL的下侧设置有反射器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控制设置在热处理装置1的所述各种动作机构。作为控制部3的硬件的构成与普通的计算机相同。即，控制部3具备进行各种运算处理的电路即CPU(centralprocessing unit，中央处理器)、存储基本程序的读出专用的存储器即ROM(Read-OnlyMemory，只读存储器)、存储各种信息的读写自如的存储器即RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)及预先存储有控制用软件或数据等的磁盘。通过控制部3的CPU执行特定的处理程序，而进行热处理装置1中的处理。
在所述构成以外，热处理装置1还具备各种冷却用的构造，以防止在半导体晶片W的热处理时因从卤素灯HL及闪光灯FL产生的热能造成的卤素加热部4、闪光加热部5及腔室6的过度的温度上升。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及闪光加热部5形成为在内部形成气流而进行排热的气冷构造。另外，也对上侧腔室窗63与灯光辐射窗53之间隙供给空气，从而将闪光加热部5及上侧腔室窗63冷却。
其次，对本发明的热处理方法进行说明。图8是表示本发明的热处理方法的顺序的流程图。在本实施方式中，成为处理对象的半导体基板是硅(Si)半导体晶片W。在半导体晶片W的表面，至少一部分露出基材的硅。此外，在本发明的热处理方法之前，也可预先对半导体晶片W的表面进行利用氢氟酸等的洗净处理而将形成在硅的露出部位的自然氧化膜去除。
首先，将硅半导体晶片W搬入到热处理装置1的腔室6内(步骤S1)。具体来说，打开闸阀185而将搬送开口部66打开，利用装置外部的搬送机器人经由搬送开口部66将半导体晶片W搬入到腔室6内的热处理空间65。此时，也可将阀92打开而对腔室6内供给氮气，使氮气从搬送开口部66流出，而将伴随半导体晶片W的搬入的外部气体的夹带抑制为最小限度。
通过搬送机器人搬入的半导体晶片W进入到保持部7的正上方位置为止而停止。然后，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，顶起销12通过贯通孔79从晶座74的保持板75的上表面突出而接收半导体晶片W。此时，顶起销12上升到较基板支撑销77的上端更靠上方为止。
将半导体晶片W载置在顶起销12后，搬送机器人从热处理空间65退出，利用闸阀185将搬送开口部66封闭。然后，一对移载臂11下降，由此，半导体晶片W从移载机构10被交接到保持部7的晶座74并被以水平姿势从下方保持。半导体晶片W由竖立设置在保持板75上的多个基板支撑销77支撑而保持在晶座74。另外，半导体晶片W以在一部分区域露出硅的表面为上表面而保持在保持部7。在由多个基板支撑销77支撑的半导体晶片W的背面(与正面为相反侧的主面)与保持板75的保持面75a之间，形成特定的间隔。下降到晶座74的下方为止的一对移载臂11通过水平移动机构13退避到退避位置、也就是凹部62的内侧。
另外，利用闸阀185将搬送开口部66封闭而使热处理空间65成为密闭空间后，在腔室6内形成惰性气体即氮气体氛围(步骤S2)。具体来说，将阀91关闭并将阀92打开而从气体供给孔81对热处理空间65供给氮气。另外，将阀89打开而从气体排出孔86排出腔室6内的气体。由此，从腔室6内的热处理空间65的上部供给的氮气向下方流动并从热处理空间65的下部排出，而将腔室6内置换为氮气体氛围。另外，通过将阀192打开，也从搬送开口部66排出腔室6内的气体。进而，通过省略图示的排气机构，也排出移载机构10的驱动部周边的气体氛围。此外，也可预先在腔室6内形成氮气体氛围，且向其中搬入半导体晶片W。
然后，通过卤素加热部4的卤素灯HL执行半导体晶片W的预加热(辅助加热)(步骤S3)。图9是表示半导体晶片W的表面温度的变化的图。在时刻t1，卤素加热部4的40根卤素灯HL一齐点亮而开始半导体晶片W的预加热。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及晶座74而从半导体晶片W的背面进行照射。通过受到来自卤素灯HL的光照射，半导体晶片W被预加热而温度上升。此外，由于移载机构10的移载臂11退避到凹部62的内侧，所以不会成为利用卤素灯HL进行的预加热的障碍。
在利用卤素灯HL进行加热处理时，利用辐射温度计20测定半导体晶片W的温度。即，辐射温度计20通过透明窗21接收从保持在晶座74的半导体晶片W的下表面经由开口部78辐射的红外光而测定升温中的晶片温度。测定所得的半导体晶片W的温度被传输到控制部3。控制部3基于利用辐射温度计20获得的测定值，以半导体晶片W的温度成为预加热温度T2的方式反馈控制卤素灯HL的输出。
另外，控制部3监视通过来自卤素灯HL的光照射而升温的半导体晶片W的温度是否已达到特定的切换温度T1(步骤S4)。切换温度T1为400℃以上。当在预加热的中途半导体晶片W的温度已达到切换温度T1时，从步骤S4进入到步骤S5，将腔室6内从氮气体氛围置换为氧气体氛围。具体来说，当在时刻t2半导体晶片W的温度已达到切换温度T1时，在控制部3的控制下，将阀91打开而从气体供给部90对腔室6内供给氧气。
通过对腔室6内供给氧气，在腔室6内形成包含氧的气体氛围、也就是氧化气体氛围。在本实施方式中，以半导体晶片W的温度已达到切换温度T1为触发器，将腔室6内从惰性气体氛围切换为氧化气体氛围。在半导体晶片W的温度已达到切换温度T1以后，在腔室6内形成氧气体氛围，由此在半导体晶片W的表面中的硅露出部位发生氧化，而开始硅氧化膜(二氧化硅(SiO2)的薄膜)的生长。
继而，在时刻t3半导体晶片W的温度已达到预加热温度T2后，控制部3将半导体晶片W暂时维持在该预加热温度T2。具体来说，在由辐射温度计20测定的半导体晶片W的温度已达到预加热温度T2的时刻t3，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加热温度T2。
通过利用这种卤素灯HL进行预加热，使半导体晶片W整体均匀地升温到预加热温度T2。在利用卤素灯HL进行预加热的阶段，存在更容易产生散热的半导体晶片W的周缘部的温度较中央部下降的倾向，但卤素加热部4中的卤素灯HL的配设密度是相较于与半导体晶片W的中央部对向的区域，与半导体晶片W的周缘部对向的区域更高。因此，对容易产生散热的半导体晶片W的周缘部照射的光量变多，从而能够使预加热阶段的半导体晶片W的面内温度分布均匀。
在时刻t3半导体晶片W的温度已达到预加热温度T2以后，也对腔室6内继续供给氧气。图10是表示腔室6内的氧浓度的变化的图。腔室6内的氧浓度通过氧浓度计99测定。在半导体晶片W的温度已达到切换温度T1的时刻t2，开始向腔室6供给氧气而氧浓度开始上升。在半导体晶片W的温度已达到预加热温度T2的时刻t3以后，也继续供给氧气，而腔室6内的氧浓度继续上升。然后，在通过氧浓度计99测定的腔室6内的氧浓度达到目标浓度C1的时刻t4，闪光加热部5的闪光灯FL对保持在晶座74的半导体晶片W的表面进行闪光照射(步骤S6)。此时，从闪光灯FL辐射的闪光的一部分直接朝向腔室6内，其它一部分暂时被反射器52反射后朝向腔室6内，通过这些闪光的照射进行半导体晶片W的闪光加热。此外，目标浓度C1可设为适当的值，也可为100％。
闪光加热通过来自闪光灯FL的闪光(flash light)照射而进行，因此，能够使半导体晶片W的表面温度在短时间上升。即，从闪光灯FL照射的闪光是将预先蓄积在电容器中的静电能量转换为极短光脉冲所得的照射时间为0.1毫秒以上100毫秒以下程度的极短且强的闪光。而且，通过来自闪光灯FL的闪光照射，半导体晶片W的表面瞬间升温到峰值温度T3后，急速降温。峰值温度T3高于预加热温度T2。
在腔室6内的氧浓度达到目标浓度C1的状态下，通过闪光照射使半导体晶片W的表面升温到峰值温度T3，由此进行硅露出部位的热氧化，硅氧化膜进一步生长。不过，闪光的照射时间为0.1毫秒以上100毫秒以下的极短时间，因此，得以防止硅氧化膜的膜厚超过所需值而过度变厚。在本实施方式中，硅氧化膜的膜厚为1.5nm左右。
在闪光照射结束后，在控制部3的控制下，立刻将阀91关闭而停止向腔室6内供给氧气。另外，于在氧气体氛围形成时对腔室6也供给有氮气的情况下，将阀92也关闭而也停止供给氮气。而且，在停止向腔室6内供给气体的状态下，排气部190将腔室6内的气体排出，由此将腔室6内减压到小于大气压(步骤S7)。
图11是表示腔室6内的压力变化的图。利用卤素灯HL进行的半导体晶片W的预加热及利用闪光灯FL进行的闪光加热是在大气压P1下执行。即，在腔室6内的压力为大气压P1中，硅氧化膜生长。在时刻t4执行来自闪光灯FL的闪光照射后，立刻通过排气部190将腔室6内从大气压P1减压。然后，在时刻t5将腔室6内减压到气压P2。如图11所示，在从时刻t4到时刻t5的腔室6内的减压中，在初始阶段以相对较小的排气流量平稳地进行减压后，切换为较大的排气流量。当如果与减压开始同时地以较大的排气流量急剧地将腔室6内减压，则有板厚较薄的石英的晶座74等破损的担忧时，通过如本实施方式般将排气流量切换为2个阶段，能够防止晶座74等的破损。
另外，通过从时刻t4进行腔室6内的减压，如图10所示，腔室6内的氧浓度也从目标浓度C1下降。进而，如图9所示，在时刻t4进行闪光照射后，半导体晶片W的表面温度也急速降温。腔室6内的氧浓度下降，并且半导体晶片W的表面温度降温，由此硅氧化膜的生长迅速地停止。
通过辐射温度计20测定闪光照射后的降温中的半导体晶片W的温度，其测定结果被传输到控制部3。控制部3根据辐射温度计20的测定结果而监视半导体晶片W的温度是否已降温到特定温度。另外，通过利用排气部190将腔室6内减压到气压P2，腔室6内的氧气大致完全地从腔室6排出，而能够排除对腔室6中的后续处理的影响。于在时刻t5腔室6内减压到气压P2的时间点，停止利用排气部190进行的排气，并且将阀92打开而对腔室6内供给氮气。由此，使腔室6内为氮气体氛围而恢复到大气压P1。
在腔室6内恢复到惰性气体氛围的大气压P1且半导体晶片W的温度降温到特定温度以下后，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，顶起销12从晶座74的上表面突出而从晶座74接收热处理后的半导体晶片W。继而，将通过闸阀185封闭的搬送开口部66打开，将载置在顶起销12上的半导体晶片W通过装置外部的搬送机器人搬出，从而完成热处理装置1中的半导体晶片W的加热处理(步骤S8)。
在本实施方式中，当在预加热的中途半导体晶片W的温度已达到切换温度T1时，对腔室6内供给氧气而将腔室6内从氮气体氛围切换为氧气体氛围。因此，在半导体晶片W的温度为小于切换温度T1的相对低温时，腔室6内为惰性气体氛围，因此不会进行硅的氧化。而且，在半导体晶片W的温度成为切换温度T1以上的相对高温时，腔室6内从惰性气体氛围切换为氧化气体氛围，硅被氧化而硅氧化膜(二氧化硅的薄膜)开始生长。其结果，在半导体晶片W的温度为相对低温时，氧化受到抑制，并且在成为高温后进行氧化，从而能够形成致密且与硅基层的界面的缺陷较少的特性良好的较薄的氧化膜。
另外，在本实施方式中，通过在氧化气体氛围中对半导体晶片W照射照射时间极短的闪光而形成硅的氧化膜。因此，能够形成膜厚极薄的纳米级的硅氧化膜。在将硅氧化膜用作高介电常数栅极绝缘膜的基底膜的情况下，要求极薄的膜厚，而本发明的热处理方法正好合适。
如果仅成膜较薄的硅氧化膜，则也可通过例如ALD(Atomic Layer Deposition，原子层沉积)使二氧化硅沉积。但，已知如果通过ALD使二氧化硅沉积，则会在硅氧化膜与硅基层的界面产生大量缺陷。因此，另外需要用以消除缺陷的退火处理(PDA，Post DepositionAnneal，沉积后退火)。在本实施方式中，通过使用闪光加热的极短时间的热氧化法来形成硅氧化膜，因此，能够形成与硅基层的匹配性良好、缺陷较少、且纳米级的较薄的硅氧化膜。
另外，通过使用闪光加热的热氧化法来形成硅氧化膜，因此，于在半导体晶片W的表面形成有复杂形状的三维图案的情况下，也能够在包含该图案的侧壁部分的全体均匀地形成氧化膜。
进而，在闪光照射后立刻停止向腔室6内供给氧气，并且通过排气部190将腔室6内减压而使氧浓度急速下降。由此，能够使半导体晶片W表面的硅氧化膜的生长迅速地停止而适当地控制其膜厚。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但只要不脱离其主旨，则可对该发明进行除所述内容以外的各种变更。例如，在所述实施方式中，对腔室6内供给氧气而形成氧化气体氛围，但并不限定于此，也可使用臭氧、氧自由基、水蒸气等氧化性气体。即，只要对腔室6内供给将硅氧化的氧化性气体而形成氧化气体氛围即可。尤其是，如果使用臭氧等氧化力较强的氧化性气体，能够形成更加致密且与硅基层的界面的缺陷较少的特性良好的较薄的氧化膜。
另外，在将腔室6内从氮气体氛围置换为氧气体氛围时，可将阀92关闭而仅对腔室6内供给氧气，也可将阀92也打开而对腔室6内供给氧气与氮气的混合气体。在从氮气体氛围置换为氧化气体氛围时，如果在氧气中混合惰性气体而供给到腔室6内，则能够抑制半导体晶片W的表面的雾度变差，由此形成致密且与硅基层的界面的缺陷较少的特性良好的较薄的氧化膜。此外，混合到氧气中的惰性气体并不限定于氮气，也可为氩气(Ar)或氙气(Xe)。
另外，于在闪光照射后将腔室6内减压时，也可通过一边向腔室6内供给氮气一边令排气部190将腔室6内的气体排出而将腔室6内减压到小于大气压。在该情况下，排气部190的排气流量当然要大于向腔室6内的氮气的供给流量。
另外，于在闪光照射后将腔室6内减压时，也可使向腔室6内供给的气体为氩气或氙气等惰性气体来代替氮气。尤其是，于在闪光照射后停止向腔室6内供给氧气并且对腔室6内供给有氩气或氙气的情况下，通过控制半导体晶片W表面的氧的外侧扩散而提高表层部的结晶性，能够形成致密且与硅基层的界面的缺陷较少的特性良好的较薄的氧化膜。
进而，于在闪光照射后将腔室6内减压时，也可使向腔室6内供给的气体为氢气(H2)来代替惰性气体。通过在闪光照射后停止向腔室6内供给氧气并且对腔室6内供给氢气，而进行氢烧结，从而能够形成更加致密且与硅基层的界面的缺陷较少的特性良好的较薄的氧化膜。
另外，也可在利用卤素灯HL进行的预加热前，将腔室6内减压到小于大气压。由此，能够排除之前进行的处理的气体氛围的影响。
另外，通过对在源极/漏极区域注入有杂质的半导体晶片W进行与所述实施方式相同的预加热处理及闪光加热处理，在半导体晶片W的表面形成氧化膜的同时，也可进行注入到半导体晶片W中的杂质的活化。如果如此设定，则能够削减对半导体晶片W的处理工序。在源极/漏极区域的硅露出的情况下，也可一边在该区域形成保护氧化膜一边进行杂质的活化。
另外，在所述实施方式中，在单晶硅的半导体晶片W形成有氧化膜，但也可在多晶硅形成氧化膜。在该情况下，也通过与所述实施方式相同的热处理方法，在多晶硅上形成氧化膜。由于在多晶硅中存在比单晶硅多的晶界，所以通常多晶硅的氧化速度大于单晶硅，多晶硅的氧化膜容易变厚。但，如果通过本发明的热处理方法在多晶硅形成氧化膜，则由于是通过照射时间极短的闪光的照射来形成氧化膜，所以即便为氧化速度较大的多晶硅，也能够进行精密的膜厚控制。
另外，在所述实施方式中，在硅半导体晶片W形成有氧化膜，但并不限定于此，也可在锗(Ge)形成氧化膜。在该情况下，也能够通过与所述实施方式相同的热处理方法，在锗形成膜厚极薄的氧化膜(GeOx)。
另外，在所述实施方式中，在闪光加热部5具备30根闪光灯FL，但并不限定于此，闪光灯FL的根数可设为任意数量。另外，闪光灯FL并不限定于氙气闪光灯，也可为氪气闪光灯。另外，卤素加热部4所具备的卤素灯HL的根数也并不限定于40根，可设为任意数量。
另外，在所述实施方式中，使用灯丝方式的卤素灯HL作为连续发光1秒以上的连续点亮灯来进行半导体晶片W的预加热，但并不限定于此，也可使用放电型的电弧灯(例如，氙弧灯)代替卤素灯HL作为连续点亮灯来进行预加热。
[符号的说明]
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
65 热处理空间
74 晶座
75 保持板
77 基板支撑销
83 供给配管
90 气体供给部
93 氧气供给源
94 氮气供给源
99 氧浓度计
190 排气部
FL 闪光灯
HL 卤素灯
W 半导体晶片

Claims (20)

1.一种热处理方法，其特征在于，通过对基板照射光而将该基板加热从而形成氧化膜，且具备：
收容工序，将基板收容到腔室内；
加热工序，对所述基板照射光而将所述基板加热；及
气体氛围切换工序，当在所述加热工序的中途所述基板达到特定的切换温度时，对所述腔室内供给氧化性气体而将所述腔室内从惰性气体氛围切换为氧化气体氛围。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述加热工序包括：
预加热工序，从连续点亮灯对所述基板照射光；及
闪光加热工序，在所述预加热工序后，从闪光灯对所述基板照射闪光；且
在所述预加热工序的中途，开始向所述腔室内供给所述氧化性气体。
3.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于：
在所述腔室内的所述氧化性气体的浓度达到特定值时，照射所述闪光。
4.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于：
通过对所述基板照射闪光而在所述基板的表面形成氧化膜，并且将注入到所述基板中的杂质活化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热处理方法，其特征在于：
在所述加热工序结束后，停止向所述腔室内供给所述氧化性气体，并且将所述腔室内减压。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的热处理方法，其特征在于：
在所述加热工序结束后，停止向所述腔室内供给所述氧化性气体，并且对所述腔室内供给氢气。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的热处理方法，其特征在于：
在所述加热工序结束后，停止向所述腔室内供给所述氧化性气体，并且对所述腔室内供给氩气或氙气。
8.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：
所述基板是硅基板，
所述氧化性气体是选自由氧气、臭氧、氧自由基及水蒸气所组成的群中的一种气体。
9.根据权利要求8所述的热处理方法，其特征在于：
在所述气体氛围切换工序中，在所述氧化性气体中混合惰性气体而供给到所述腔室内。
10.根据权利要求8或9所述的热处理方法，其特征在于：
所述切换温度为400℃以上。
11.一种热处理装置，其特征在于：通过对基板照射光而将该基板加热从而形成氧化膜，且具备：
腔室，收容基板；
光照射部，对所述基板照射光而将所述基板加热；
气体供给部，对所述腔室内供给氧化性气体；及
控制部，以当在通过来自所述光照射部的光照射将所述基板加热的中途所述基板达到特定的切换温度时，对所述腔室内供给所述氧化性气体而将所述腔室内从惰性气体氛围切换为氧化气体氛围的方式控制所述气体供给部。
12.根据权利要求11所述的热处理装置，其特征在于，所述光照射部包括：
连续点亮灯，对所述基板照射光而将所述基板预加热；及
闪光灯，在所述预加热后，对所述基板照射闪光；且
所述控制部以在所述预加热的中途开始向所述腔室内供给所述氧化性气体的方式控制所述气体供给部。
13.根据权利要求12所述的热处理装置，其特征在于：
所述闪光灯在所述腔室内的所述氧化性气体的浓度达到特定值时，照射所述闪光。
14.根据权利要求12所述的热处理装置，其特征在于：
通过所述闪光灯对所述基板照射闪光而在所述基板的表面形成氧化膜，并且将注入到所述基板中的杂质活化。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的热处理装置，其特征在于进而具备将所述腔室内减压的减压部，且
在利用来自所述光照射部的光照射进行的所述基板的加热结束后，所述气体供给部停止向所述腔室内供给所述氧化性气体，并且所述减压部将所述腔室内减压。
16.根据权利要求11至14中任一项所述的热处理装置，其特征在于：
在利用来自所述光照射部的光照射进行的所述基板的加热结束后，所述气体供给部停止向所述腔室内供给所述氧化性气体，并且对所述腔室内供给氢气。
17.根据权利要求11至14中任一项所述的热处理装置，其特征在于：
在利用来自所述光照射部的光照射进行的所述基板的加热结束后，所述气体供给部停止向所述腔室内供给所述氧化性气体，并且对所述腔室内供给氩气或氙气。
18.根据权利要求11所述的热处理装置，其特征在于：
所述基板是硅基板，
所述氧化性气体是选自由氧气、臭氧、氧自由基及水蒸气所组成的群中的一种气体。
19.根据权利要求18所述的热处理装置，其特征在于：
所述气体供给部在所述氧化性气体中混合惰性气体而供给到所述腔室内。
20.根据权利要求18或19所述的热处理装置，其特征在于：
所述切换温度为400℃以上。
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