JP2014003050A - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高誘電率膜の結晶化を促進しつつ、高誘電率膜の界面特性をも改善することができる熱処理方法および熱処理装置を提供する。
【解決手段】高誘電率膜のゲートが形成された半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射して、当該表面を短時間にて目標温度Ｔ２に加熱することにより、下地の二酸化ケイ素膜の成長を抑制しつつ、高誘電率膜の結晶化を促進することができる。続いて、フラッシュ加熱後の半導体ウェハーにハロゲンランプから光を照射することによってその温度をアニール温度Ｔ３に維持している。フラッシュ加熱後のアニール処理は水素ガスと窒素ガスとの混合ガスの雰囲気中にて実行される。水素−窒素混合ガスの雰囲気中にて半導体ウェハーをアニール処理することにより、高誘電率膜の界面近傍に存在していた欠陥を水素終端によって消失させることができ、高誘電率膜の界面特性を改善することができる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、高誘電率膜を形成した半導体ウェハーなどの基板に光を照射して加熱することによりその高誘電率膜の結晶化を促進する熱処理方法および熱処理装置に関する。
従来より、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート絶縁膜としては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が一般的に用いられてきたが、素子の微細化に伴ってゲート絶縁膜の薄膜化が進むにつれてリーク電流の増大が問題となっていた。このため、例えば特許文献１に開示されるように、ゲート絶縁膜として二酸化ケイ素よりも比誘電率の高い材料（高誘電率材料（High-k材料））を使用するとともに、ゲート電極に金属を用いたメタルゲート電極の開発が進められている。
特開２０１１−７７４２１号公報
しかしながら、ゲート絶縁膜として高誘電率膜（High-k膜）を形成した半導体ウェハーの熱処理を行うときには以下のような問題が生じる。高誘電率膜はＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)などの手法によって高誘電率材料を堆積させて形成される。また、近年では、原子層を１層ずつ堆積させるＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)も注目されている。いずれの手法によっても堆積ままの高誘電率膜は結晶性が低いため、これを１０００℃以上でアニールすることによって結晶化を促進させる必要がある。
ところが、高誘電率膜を数秒以上の長時間にわたって１０００℃以上に加熱すると、酸素が移動して高誘電率膜と基材のシリコンとの間に存在している二酸化ケイ素の膜が成長し、その膜厚が厚くなってデバイス特性を低下させるという問題が発生する。
また、堆積された高誘電率膜と下地の二酸化ケイ素膜および上側のメタルゲート電極との界面は、シリコン／二酸化ケイ素の界面と比較すると質の低いものとならざるを得ない。よって、ゲート絶縁膜として高誘電率膜を用いる場合には、高誘電率膜の界面特性の向上も求められている。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高誘電率膜の結晶化を促進しつつ、高誘電率膜の界面特性をも改善することができる熱処理方法および熱処理装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、高誘電率膜を形成した基板に光を照射して加熱することによって前記高誘電率膜の結晶化を促進する熱処理方法において、前記高誘電率膜が形成された基板の表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射することによって前記高誘電率膜を含む前記基板の表面を第１の温度に加熱するフラッシュ加熱工程と、前記基板にハロゲンランプから光を照射することによって前記基板の温度を前記第１の温度よりも低い第２の温度に維持するアニール工程と、を備え、前記アニール工程は、水素、アンモニア、塩化水素、二酸化硫黄、亜酸化窒素、硫化水素からなる群から選択されたいずれかのガスを含む雰囲気中にて実行されることを特徴とする。
また、請求項２の発明は、請求項１の発明に係る熱処理方法において、前記アニール工程では、前記基板の温度を３００℃以上７００℃以下に２秒以上３０分以下維持することを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明に係る熱処理方法において、前記アニール工程は前記フラッシュ加熱工程の後に実行されることを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項３の発明に係る熱処理方法において、前記フラッシュ加熱工程の前に前記基板に前記ハロゲンランプから光を照射することによって前記基板の温度を前記第２の温度に加熱する予備加熱工程をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記高誘電率膜の上に、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステンからなる群から選択された１種以上の金属を含むゲート電極を形成することを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項１から請求項５のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記高誘電率膜は、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＭｏＮ、ＷＮ、ＴｉＳｉＮ、ＨｆＳｉＮ、ＶＳｉＮ、ＮｂＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＭｏＳｉＮ、ＷＳｉＮ、ＨｆＡｌＮ、ＶＡｌＮ、ＮｂＡｌＮ、ＴａＡｌＮ、ＭｏＡｌＮ、ＷＡｌＮからなる群から選択された１種以上を含むことを特徴とする。
また、請求項７の発明は、高誘電率膜を形成した基板に光を照射して加熱することによって前記高誘電率膜の結晶化を促進する熱処理装置において、前記高誘電率膜が形成された基板を収容するチャンバーと、前記チャンバー内にて前記基板を保持する保持手段と、前記保持手段に保持された前記基板の表面にフラッシュ光を照射して前記高誘電率膜を含む前記基板の表面を第１の温度に加熱するフラッシュランプと、前記保持手段に保持された基板に光を照射するハロゲンランプと、前記チャンバー内に、水素、アンモニア、塩化水素、二酸化硫黄、亜酸化窒素、硫化水素からなる群から選択されたいずれかのガスを供給して当該ガスを含む雰囲気を形成する雰囲気形成手段と、前記チャンバー内に前記ガスを含む雰囲気形成しつつ、前記基板に前記ハロゲンランプから光を照射することによって前記基板の温度を前記第１の温度よりも低い第２の温度に維持するように前記ハロゲンランプの発光および前記雰囲気形成手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
また、請求項８の発明は、請求項７の発明に係る熱処理装置において、前記第２の温度は３００℃以上７００℃以下であり、前記制御手段は、前記基板を前記第２の温度に２秒以上３０分以下維持するように前記ハロゲンランプの発光を制御することを特徴とする。
また、請求項９の発明は、請求項７または請求項８の発明に係る熱処理装置において、前記制御手段は、前記フラッシュランプからのフラッシュ光照射によって前記基板の表面が前記第１の温度に加熱された後に、前記基板を前記第２の温度に維持するように前記ハロゲンランプの発光を制御することを特徴とする。
また、請求項１０の発明は、請求項９の発明に係る熱処理装置において、前記制御手段は、前記フラッシュランプからのフラッシュ光照射によって前記基板の表面が前記第１の温度に加熱される前に、前記基板が前記第２の温度に加熱されるように前記ハロゲンランプの発光を制御することを特徴とする。
また、請求項１１の発明は、請求項７から請求項１０のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記高誘電率膜の上には、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステンからなる群から選択された１種以上の金属を含むゲート電極が形成されていることを特徴とする。
また、請求項１２の発明は、請求項７から請求項１１のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記高誘電率膜は、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＭｏＮ、ＷＮ、ＴｉＳｉＮ、ＨｆＳｉＮ、ＶＳｉＮ、ＮｂＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＭｏＳｉＮ、ＷＳｉＮ、ＨｆＡｌＮ、ＶＡｌＮ、ＮｂＡｌＮ、ＴａＡｌＮ、ＭｏＡｌＮ、ＷＡｌＮからなる群から選択された１種以上を含むことを特徴とする。
請求項１から請求項６の発明によれば、高誘電率膜が形成された基板の表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射することによって高誘電率膜を含む基板の表面を第１の温度に加熱するフラッシュ加熱工程と、基板にハロゲンランプから光を照射することによって基板の温度を第１の温度よりも低い第２の温度に維持するアニール工程と、を備え、アニール工程を、水素、アンモニア、塩化水素、二酸化硫黄、亜酸化窒素、硫化水素からなる群から選択されたいずれかのガスを含む雰囲気中にて実行するため、フラッシュ加熱により高誘電率膜の結晶化を促進しつつ、雰囲気ガス中にてハロゲンランプによるアニール処理を行うことにより高誘電率膜の界面特性の改善をも行うことができる。
また、請求項７から請求項１２の発明によれば、高誘電率膜が形成された基板の表面にフラッシュ光を照射して高誘電率膜を含む基板の表面を第１の温度に加熱するフラッシュランプと、基板に光を照射するハロゲンランプと、チャンバー内に、水素、アンモニア、塩化水素、二酸化硫黄、亜酸化窒素、硫化水素からなる群から選択されたいずれかのガスを供給して当該ガスを含む雰囲気を形成する雰囲気形成手段と、を備え、チャンバー内にガスを含む雰囲気形成しつつ、基板にハロゲンランプから光を照射することによって基板の温度を第１の温度よりも低い第２の温度に維持するため、フラッシュ加熱により高誘電率膜の結晶化を促進しつつ、雰囲気ガス中にてハロゲンランプによるアニール処理を行うことにより高誘電率膜の界面特性の改善をも行うことができる。
本発明に係る熱処理装置の構成を示す縦断面図である。 保持部の全体外観を示す斜視図である。 保持部を上面から見た平面図である。 保持部を側方から見た側面図である。 移載機構の平面図である。 移載機構の側面図である。 複数のハロゲンランプの配置を示す平面図である。 フラッシュランプの駆動回路を示す図である。 図１の熱処理装置における半導体ウェハーの処理手順を示すフローチャートである。 ゲート絶縁膜として高誘電率膜を用いたゲート構造の概略を示す図である。 半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 フラッシュ加熱処理の前後における半導体ウェハーの表面温度変化を示す図である。 フラッシュ加熱処理の前後における半導体ウェハーの表面温度変化の他の例を示す図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る熱処理装置１の構成を示す縦断面図である。本実施形態の熱処理装置１は、基板としてφ３００ｍｍの円板形状の半導体ウェハーＷに対してフラッシュ光照射を行うことによってその半導体ウェハーＷを加熱するフラッシュランプアニール装置である。詳細は後述するが、熱処理装置１に搬入される前の半導体ウェハーＷには高誘電率膜のゲートが形成されており、熱処理装置１による加熱処理によってその高誘電率膜の結晶化が促進される。
熱処理装置１は、半導体ウェハーＷを収容するチャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するフラッシュ加熱部５と、複数のハロゲンランプＨＬを内蔵するハロゲン加熱部４と、シャッター機構２と、を備える。チャンバー６の上側にフラッシュ加熱部５が設けられるとともに、下側にハロゲン加熱部４が設けられている。熱処理装置１は、チャンバー６の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に保持する保持部７と、保持部７と装置外部との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う移載機構１０と、を備える。また、熱処理装置１は、チャンバー６の内部にフォーミングガス（水素−窒素混合ガス）の雰囲気を形成する雰囲気形成機構１８０を備える。さらに、熱処理装置１は、シャッター機構２、雰囲気形成機構１８０、ハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６に設けられた各動作機構を制御して半導体ウェハーＷの熱処理を実行させる制御部３を備える。
チャンバー６は、筒状のチャンバー側部６１の上下に石英製のチャンバー窓を装着して構成されている。チャンバー側部６１は上下が開口された概略筒形状を有しており、上側開口には上側チャンバー窓６３が装着されて閉塞され、下側開口には下側チャンバー窓６４が装着されて閉塞されている。チャンバー６の天井部を構成する上側チャンバー窓６３は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュ加熱部５から出射されたフラッシュ光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、チャンバー６の床部を構成する下側チャンバー窓６４も、石英により形成された円板形状部材であり、ハロゲン加熱部４からの光をチャンバー６内に透過する石英窓として機能する。
また、チャンバー側部６１の内側の壁面の上部には反射リング６８が装着され、下部には反射リング６９が装着されている。反射リング６８，６９は、ともに円環状に形成されている。上側の反射リング６８は、チャンバー側部６１の上側から嵌め込むことによって装着される。一方、下側の反射リング６９は、チャンバー側部６１の下側から嵌め込んで図示省略のビスで留めることによって装着される。すなわち、反射リング６８，６９は、ともに着脱自在にチャンバー側部６１に装着されるものである。チャンバー６の内側空間、すなわち上側チャンバー窓６３、下側チャンバー窓６４、チャンバー側部６１および反射リング６８，６９によって囲まれる空間が熱処理空間６５として規定される。
チャンバー側部６１に反射リング６８，６９が装着されることによって、チャンバー６の内壁面に凹部６２が形成される。すなわち、チャンバー側部６１の内壁面のうち反射リング６８，６９が装着されていない中央部分と、反射リング６８の下端面と、反射リング６９の上端面とで囲まれた凹部６２が形成される。凹部６２は、チャンバー６の内壁面に水平方向に沿って円環状に形成され、半導体ウェハーＷを保持する保持部７を囲繞する。
チャンバー側部６１および反射リング６８，６９は、強度と耐熱性に優れた金属材料（例えば、ステンレススチール）にて形成されている。また、反射リング６８，６９の内周面は電解ニッケルメッキによって鏡面とされている。
また、チャンバー側部６１には、チャンバー６に対して半導体ウェハーＷの搬入および搬出を行うための搬送開口部（炉口）６６が形設されている。搬送開口部６６は、ゲートバルブ１８５によって開閉可能とされている。搬送開口部６６は凹部６２の外周面に連通接続されている。このため、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を開放しているときには、搬送開口部６６から凹部６２を通過して熱処理空間６５への半導体ウェハーＷの搬入および熱処理空間６５からの半導体ウェハーＷの搬出を行うことができる。また、ゲートバルブ１８５が搬送開口部６６を閉鎖するとチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。
また、チャンバー６の内壁上部には熱処理空間６５に所定のガスを供給するガス供給孔８１が形設されている。ガス供給孔８１は、凹部６２よりも上側位置に形設されており、反射リング６８に設けられていても良い。ガス供給孔８１はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８２を介してガス供給管８３に連通接続されている。ガス供給管８３は二叉に分岐され、その一方は窒素ガス供給源１８５に接続され、他方は水素ガス供給源１８９に接続される。ガス供給管８３の二叉に分岐された経路のうち窒素ガス供給源１８５に接続された配管にはバルブ１８３および流量調整弁１８１が介挿され、水素ガス供給源１８９に接続された配管にはバルブ１８７および流量調整弁１８６が介挿されている。
バルブ１８３が開放されると、窒素ガス供給源１８５からガス供給管８３を通って緩衝空間８２に窒素ガス（Ｎ２）が送給される。ガス供給管８３を流れる窒素ガスの流量は流量調整弁１８１によって調整される。また、バルブ１８７が開放されると、水素ガス供給源１８９からガス供給管８３を通って緩衝空間８２に水素ガス（Ｈ２）が送給される。ガス供給管８３を流れる水素ガスの流量は流量調整弁１８６によって調整される。緩衝空間８２に流入したガスは、ガス供給孔８１よりも流体抵抗の小さい緩衝空間８２内を拡がるように流れてガス供給孔８１から熱処理空間６５内へと供給される。
これらの窒素ガス供給源１８５、バルブ１８３、流量調整弁１８１、水素ガス供給源１８９、バルブ１８７、流量調整弁１８６、ガス供給管８３、緩衝空間８２およびガス供給孔８１によって雰囲気形成機構１８０が構成される。バルブ１８３およびバルブ１８７の双方を開放することによって、熱処理空間６５に水素ガスと窒素ガスとの混合ガス（フォーミングガス）を供給し、フォーミングガスの雰囲気を形成することができる。
一方、チャンバー６の内壁下部には熱処理空間６５内の気体を排気するガス排気孔８６が形設されている。ガス排気孔８６は、凹部６２よりも下側位置に形設されており、反射リング６９に設けられていても良い。ガス排気孔８６はチャンバー６の側壁内部に円環状に形成された緩衝空間８７を介してガス排気管８８に連通接続されている。ガス排気管８８は排気部１９０に接続されている。また、ガス排気管８８の経路途中にはバルブ８９が介挿されている。バルブ８９が開放されると、熱処理空間６５の気体がガス排気孔８６から緩衝空間８７を経てガス排気管８８へと排出される。なお、ガス供給孔８１およびガス排気孔８６は、チャンバー６の周方向に沿って複数設けられていても良いし、スリット状のものであっても良い。
また、搬送開口部６６の先端にも熱処理空間６５内の気体を排出するガス排気管１９１が接続されている。ガス排気管１９１はバルブ１９２を介して排気部１９０に接続されている。バルブ１９２を開放することによって、搬送開口部６６を介してチャンバー６内の気体が排気される。
図２は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。また、図３は保持部７を上面から見た平面図であり、図４は保持部７を側方から見た側面図である。保持部７は、基台リング７１、連結部７２およびサセプター７４を備えて構成される。基台リング７１、連結部７２およびサセプター７４はいずれも石英にて形成されている。すなわち、保持部７の全体が石英にて形成されている。
基台リング７１は円環形状の石英部材である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されることによって、チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図１参照）。円環形状を有する基台リング７１の上面に、その周方向に沿って複数の連結部７２（本実施形態では４個）が立設される。連結部７２も石英の部材であり、溶接によって基台リング７１に固着される。なお、基台リング７１の形状は、円環形状から一部が欠落した円弧状であっても良い。
平板状のサセプター７４は基台リング７１に設けられた４個の連結部７２によって支持される。サセプター７４は石英にて形成された略円形の平板状部材である。サセプター７４の直径は半導体ウェハーＷの直径よりも大きい。すなわち、サセプター７４は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。サセプター７４の上面には複数個（本実施形態では５個）のガイドピン７６が立設されている。５個のガイドピン７６はサセプター７４の外周円と同心円の周上に沿って設けられている。５個のガイドピン７６を配置した円の径は半導体ウェハーＷの径よりも若干大きい。各ガイドピン７６も石英にて形成されている。なお、ガイドピン７６は、サセプター７４と一体に石英のインゴットから加工するようにしても良いし、別途に加工したものをサセプター７４に溶接等によって取り付けるようにしても良い。
基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプター７４の周縁部の下面とが溶接によって固着される。すなわち、サセプター７４と基台リング７１とは連結部７２によって固定的に連結されており、保持部７は石英の一体成形部材となる。このような保持部７の基台リング７１がチャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７がチャンバー６に装着される。保持部７がチャンバー６に装着された状態においては、略円板形状のサセプター７４は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、チャンバー６に装着された保持部７のサセプター７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。半導体ウェハーＷは、５個のガイドピン７６によって形成される円の内側に載置されることにより、水平方向の位置ずれが防止される。なお、ガイドピン７６の個数は５個に限定されるものではなく、半導体ウェハーＷの位置ずれを防止できる数であれば良い。
また、図２および図３に示すように、サセプター７４には、上下に貫通して開口部７８および切り欠き部７７が形成されている。切り欠き部７７は、熱電対を使用した接触式温度計１３０のプローブ先端部を通すために設けられている。一方、開口部７８は、放射温度計１２０がサセプター７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から放射される放射光（赤外光）を受光するために設けられている。さらに、サセプター７４には、後述する移載機構１０のリフトピン１２が半導体ウェハーＷの受け渡しのために貫通する４個の貫通孔７９が穿設されている。
図５は、移載機構１０の平面図である。また、図６は、移載機構１０の側面図である。移載機構１０は、２本の移載アーム１１を備える。移載アーム１１は、概ね円環状の凹部６２に沿うような円弧形状とされている。それぞれの移載アーム１１には２本のリフトピン１２が立設されている。各移載アーム１１は水平移動機構１３によって回動可能とされている。水平移動機構１３は、一対の移載アーム１１を保持部７に対して半導体ウェハーＷの移載を行う移載動作位置（図５の実線位置）と保持部７に保持された半導体ウェハーＷと平面視で重ならない退避位置（図５の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。水平移動機構１３としては、個別のモータによって各移載アーム１１をそれぞれ回動させるものであっても良いし、リンク機構を用いて１個のモータによって一対の移載アーム１１を連動させて回動させるものであっても良い。
また、一対の移載アーム１１は、昇降機構１４によって水平移動機構１３とともに昇降移動される。昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて上昇させると、計４本のリフトピン１２がサセプター７４に穿設された貫通孔７９（図２，３参照）を通過し、リフトピン１２の上端がサセプター７４の上面から突き出る。一方、昇降機構１４が一対の移載アーム１１を移載動作位置にて下降させてリフトピン１２を貫通孔７９から抜き取り、水平移動機構１３が一対の移載アーム１１を開くように移動させると各移載アーム１１が退避位置に移動する。一対の移載アーム１１の退避位置は、保持部７の基台リング７１の直上である。基台リング７１は凹部６２の底面に載置されているため、移載アーム１１の退避位置は凹部６２の内側となる。なお、移載機構１０の駆動部（水平移動機構１３および昇降機構１４）が設けられている部位の近傍にも図示省略の排気機構が設けられており、移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気がチャンバー６の外部に排出されるように構成されている。
図１に戻り、チャンバー６の上方に設けられたフラッシュ加熱部５は、筐体５１の内側に、複数本（本実施形態では３０本）のキセノンフラッシュランプＦＬからなる光源と、その光源の上方を覆うように設けられたリフレクタ５２と、を備えて構成される。また、フラッシュ加熱部５の筐体５１の底部にはランプ光放射窓５３が装着されている。フラッシュ加熱部５の床部を構成するランプ光放射窓５３は、石英により形成された板状の石英窓である。フラッシュ加熱部５がチャンバー６の上方に設置されることにより、ランプ光放射窓５３が上側チャンバー窓６３と相対向することとなる。フラッシュランプＦＬはチャンバー６の上方からランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３を介して熱処理空間６５にフラッシュ光を照射する。
複数のフラッシュランプＦＬは、それぞれが長尺の円筒形状を有する棒状ランプであり、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように平面状に配列されている。よって、フラッシュランプＦＬの配列によって形成される平面も水平面である。
図８は、フラッシュランプＦＬの駆動回路を示す図である。同図に示すように、コンデンサ９３と、コイル９４と、フラッシュランプＦＬと、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）９６とが直列に接続されている。また、図８に示すように、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備えるとともに、入力部３３に接続されている。入力部３３としては、キーボード、マウス、タッチパネル等の種々の公知の入力機器を採用することができる。入力部３３からの入力内容に基づいて波形設定部３２がパルス信号の波形を設定し、その波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を発生する。
フラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部に陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）９２と、該ガラス管９２の外周面上に付設されたトリガー電極９１とを備える。コンデンサ９３には、電源ユニット９５によって所定の電圧が印加され、その印加電圧（充電電圧）に応じた電荷が充電される。また、トリガー電極９１にはトリガー回路９７から高電圧を印加することができる。トリガー回路９７がトリガー電極９１に電圧を印加するタイミングは制御部３によって制御される。
ＩＧＢＴ９６は、ゲート部にＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）を組み込んだバイポーラトランジスタであり、大電力を取り扱うのに適したスイッチング素子である。ＩＧＢＴ９６のゲートには制御部３のパルス発生器３１からパルス信号が印加される。ＩＧＢＴ９６のゲートに所定値以上の電圧（Highの電圧）が印加されるとＩＧＢＴ９６がオン状態となり、所定値未満の電圧（Lowの電圧）が印加されるとＩＧＢＴ９６がオフ状態となる。このようにして、フラッシュランプＦＬを含む駆動回路はＩＧＢＴ９６によってオンオフされる。ＩＧＢＴ９６がオンオフすることによってフラッシュランプＦＬと対応するコンデンサ９３との接続が断続される。
コンデンサ９３が充電された状態でＩＧＢＴ９６がオン状態となってガラス管９２の両端電極に高電圧が印加されたとしても、キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、通常の状態ではガラス管９２内に電気は流れない。しかしながら、トリガー回路９７がトリガー電極９１に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には両端電極間の放電によってガラス管９２内に電流が瞬時に流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。
また、図１のリフレクタ５２は、複数のフラッシュランプＦＬの上方にそれら全体を覆うように設けられている。リフレクタ５２の基本的な機能は、複数のフラッシュランプＦＬから出射された光を保持部７の側に反射するというものである。リフレクタ５２はアルミニウム合金板にて形成されており、その表面（フラッシュランプＦＬに臨む側の面）はブラスト処理により粗面化加工が施されている。
チャンバー６の下方に設けられたハロゲン加熱部４の内部には複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬが内蔵されている。複数のハロゲンランプＨＬは、電力供給回路４５からの電力供給を受けて発光し、チャンバー６の下方から下側チャンバー窓６４を介して熱処理空間６５へのハロゲン光の照射を行う。電力供給回路４５からの電力供給は制御部３によって制御される。図７は、複数のハロゲンランプＨＬの配置を示す平面図である。本実施形態では、上下２段に各２０本ずつのハロゲンランプＨＬが配設されている。各ハロゲンランプＨＬは、長尺の円筒形状を有する棒状ランプである。上段、下段ともに２０本のハロゲンランプＨＬは、それぞれの長手方向が保持部７に保持される半導体ウェハーＷの主面に沿って（つまり水平方向に沿って）互いに平行となるように配列されている。よって、上段、下段ともにハロゲンランプＨＬの配列によって形成される平面は水平面である。
また、図７に示すように、上段、下段ともに保持部７に保持される半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域におけるハロゲンランプＨＬの配設密度が高くなっている。すなわち、上下段ともに、ランプ配列の中央部よりも周縁部の方がハロゲンランプＨＬの配設ピッチが短い。このため、ハロゲン加熱部４からの光照射による加熱時に温度低下が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部により多い光量の照射を行うことができる。
また、上段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群と下段のハロゲンランプＨＬからなるランプ群とが格子状に交差するように配列されている。すなわち、上段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向と下段の各ハロゲンランプＨＬの長手方向とが直交するように計４０本のハロゲンランプＨＬが配設されている。
ハロゲンランプＨＬは、ガラス管内部に配設されたフィラメントに通電することでフィラメントを白熱化させて発光させるフィラメント方式の光源である。ガラス管の内部には、窒素やアルゴン等の不活性ガスにハロゲン元素（ヨウ素、臭素等）を微量導入した気体が封入されている。ハロゲン元素を導入することによって、フィラメントの折損を抑制しつつフィラメントの温度を高温に設定することが可能となる。したがって、ハロゲンランプＨＬは、通常の白熱電球に比べて寿命が長くかつ強い光を連続的に照射できるという特性を有する。また、ハロゲンランプＨＬは棒状ランプであるため長寿命であり、ハロゲンランプＨＬを水平方向に沿わせて配置することにより上方の半導体ウェハーＷへの放射効率が優れたものとなる。
また、図１に示すように、熱処理装置１は、ハロゲン加熱部４およびチャンバー６の側方にシャッター機構２を備える。シャッター機構２は、シャッター板２１およびスライド駆動機構２２を備える。シャッター板２１は、ハロゲン光に対して不透明な板であり、例えばチタン（Ｔｉ）にて形成されている。スライド駆動機構２２は、シャッター板２１を水平方向に沿ってスライド移動させ、ハロゲン加熱部４と保持部７との間の遮光位置にシャッター板２１を挿脱する。スライド駆動機構２２がシャッター板２１を前進させると、チャンバー６とハロゲン加熱部４との間の遮光位置（図１の二点鎖線位置）にシャッター板２１が挿入され、下側チャンバー窓６４と複数のハロゲンランプＨＬとが遮断される。これによって、複数のハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５の保持部７へと向かう光は遮光される。逆に、スライド駆動機構２２がシャッター板２１を後退させると、チャンバー６とハロゲン加熱部４との間の遮光位置からシャッター板２１が退出して下側チャンバー窓６４の下方が開放される。
また、制御部３は、熱処理装置１に設けられた上記の種々の動作機構を制御する。制御部３のハードウェアとしての構成は一般的なコンピュータと同様である。すなわち、制御部３は、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭおよび制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスクを備えて構成される。制御部３のＣＰＵが所定の処理プログラムを実行することによって熱処理装置１における処理が進行する。また、図８に示したように、制御部３は、パルス発生器３１および波形設定部３２を備える。上述のように、入力部３３からの入力内容に基づいて、波形設定部３２がパルス信号の波形を設定し、それに従ってパルス発生器３１がＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号を出力する。さらに、制御部３は、雰囲気形成機構１８０の各バルブの開閉を制御することによってチャンバー６内の雰囲気調整を行うとともに、電力供給回路４５を制御することによってハロゲンランプＨＬの発光を制御する。
上記の構成以外にも熱処理装置１は、半導体ウェハーＷの熱処理時にハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬから発生する熱エネルギーによるハロゲン加熱部４、フラッシュ加熱部５およびチャンバー６の過剰な温度上昇を防止するため、様々な冷却用の構造を備えている。例えば、チャンバー６の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲン加熱部４およびフラッシュ加熱部５は、内部に気体流を形成して排熱する空冷構造とされている。また、上側チャンバー窓６３とランプ光放射窓５３との間隙にも空気が供給され、フラッシュ加熱部５および上側チャンバー窓６３を冷却する。
次に、半導体ウェハーＷに高誘電率膜のゲートを形成して熱処理を行う処理手順について説明する。図９は、半導体ウェハーＷの処理手順を示すフローチャートである。同図のステップＳ２以降が熱処理装置１によって実行される処理である。
まず、熱処理に先立って半導体ウェハーＷに高誘電率ゲート絶縁膜を用いたゲート構造を形成する（ステップＳ１）。図１０は、ゲート絶縁膜として高誘電率膜を用いたゲート構造の概略を示す図である。
単結晶シリコン（Ｓｉ）の基材１１１にはソース１１２とドレイン１１３とが形成されている。ソース・ドレイン間の基材１１１の上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の膜１１６を形成し、さらにその二酸化ケイ素の膜１１６の上に高誘電率膜１１７を形成する。本実施形態の高誘電率膜１１７は、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＭｏＮ、ＷＮ、ＴｉＳｉＮ、ＨｆＳｉＮ、ＶＳｉＮ、ＮｂＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＭｏＳｉＮ、ＷＳｉＮ、ＨｆＡｌＮ、ＶＡｌＮ、ＮｂＡｌＮ、ＴａＡｌＮ、ＭｏＡｌＮ、ＷＡｌＮからなる群から選択された１種以上を含む。二酸化ケイ素の膜１１６は例えば熱酸化法によって成膜すれば良く、また高誘電率膜１１７は例えばＭＯＣＶＤによって堆積するようにすれば良い。或いは、高誘電率膜１１７はＡＬＤによって原子層を１層ずつ堆積させるようにしても良い。これら二酸化ケイ素の膜１１６および高誘電率膜１１７がゲート絶縁膜として機能する。
さらに、高誘電率膜１１７の上にゲート電極１１８を形成する。本実施形態のゲート電極１１８は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）からなる群から選択される１種以上の金属を含むメタルゲート電極である。なお、ゲート電極１１８としては、メタルゲート電極に代えて、ポリシリコンを用いるようにしても良い。
また、ゲート電極１１８の両側方にはＳｉＮのサイドウォール１１９が形成されている。このサイドウォール１１９は、ゲート電極１１８よりも先に形成するようにしても良いし、ゲート電極１１８の後に形成するようにしても良い。
このようなゲート構造が形成された半導体ウェハーＷが上記の熱処理装置１に搬入される（ステップＳ２）。堆積ままの高誘電率膜１１７は結晶性が低いため、これを１０００℃以上に加熱して結晶化を促進させる必要がある。また、高誘電率膜１１７とゲート電極１１８および二酸化ケイ素の膜１１６と間の界面は良質なものではなく、未結合手（ダングリングボンド）が多数存在している。本実施形態においては、熱処理装置１での熱処理によって、堆積後の高誘電率膜１１７の結晶化を促進するとともに、界面を改質する。以下に説明する熱処理装置１での動作手順は、制御部３が熱処理装置１の各動作機構を制御することにより進行する。
熱処理装置１においては、半導体ウェハーＷの搬入に先立って、窒素ガス供給用のバルブ１８３が開放されるとともに、排気用のバルブ８９，１９２が開放されてチャンバー６内に対する給排気が行われている。バルブ１８３が開放されると、ガス供給孔８１から熱処理空間６５に窒素ガスが供給される。また、バルブ８９が開放されると、ガス排気孔８６からチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の上部から供給された窒素ガスが下方へと流れ、熱処理空間６５の下部から排気される。また、バルブ１９２が開放されることによって、搬送開口部６６からもチャンバー６内の気体が排気される。さらに、図示省略の排気機構によって移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気も排気される。
続いて、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、装置外部の搬送ロボットにより搬送開口部６６を介して高誘電率膜１１７およびゲート電極１１８が形成された半導体ウェハーＷがチャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される。この際に、チャンバー６内には窒素ガスが供給され続けているため、装置外部の雰囲気がチャンバー６内の流入するのを最小限に抑制することができる。搬送ロボットによって搬入された半導体ウェハーＷは保持部７の直上位置まで進出して停止する。そして、移載機構１０の一対の移載アーム１１が退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２が貫通孔７９を通ってサセプター７４の上面から突き出て半導体ウェハーＷを受け取る。
半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボットが熱処理空間６５から退出し、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖される。そして、一対の移載アーム１１が下降することにより、半導体ウェハーＷは移載機構１０から保持部７のサセプター７４に受け渡されて水平姿勢に保持される。半導体ウェハーＷは、ゲート電極１１８および高誘電率膜１１７が形成された表面を上面としてサセプター７４に保持される。また、半導体ウェハーＷは、サセプター７４の上面にて５個のガイドピン７６の内側に保持される。サセプター７４の下方にまで下降した一対の移載アーム１１は水平移動機構１３によって退避位置、すなわち凹部６２の内側に退避する。
半導体ウェハーＷが保持部７のサセプター７４に載置されて保持された後、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して予備加熱（アシスト加熱）が開始される（ステップＳ３）。ハロゲンランプＨＬから出射されたハロゲン光は、石英にて形成された下側チャンバー窓６４およびサセプター７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面から照射される。半導体ウェハーＷの裏面とは、高誘電率膜１１７が形成された表面とは反対側の主面であり、通常はいかなるデバイスパターンも形成されていない。ハロゲンランプＨＬからの光照射を受けることによって半導体ウェハーＷの温度が上昇する。なお、移載機構１０の移載アーム１１は凹部６２の内側に退避しているため、ハロゲンランプＨＬによる加熱の障害となることは無い。
図１１は、半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。半導体ウェハーＷが搬入されてサセプター７４に載置された後、制御部３が時刻ｔ０に４０本のハロゲンランプＨＬを点灯させてハロゲン光照射によって半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１にまで昇温している。予備加熱温度Ｔ１は６００℃以上９００℃以下であり、本実施形態では７００℃としている。
ハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うときには、半導体ウェハーＷの温度が接触式温度計１３０によって測定されている。すなわち、熱電対を内蔵する接触式温度計１３０がサセプター７４に保持された半導体ウェハーＷの下面に切り欠き部７７を介して接触して昇温中のウェハー温度を測定する。測定された半導体ウェハーＷの温度は制御部３に伝達される。制御部３は、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって昇温する半導体ウェハーＷの温度が所定の予備加熱温度Ｔ１に到達したか否かを監視しつつ、ハロゲンランプＨＬの出力を制御する。すなわち、制御部３は、接触式温度計１３０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１となるように電力供給回路４５をフィードバック制御してハロゲンランプＨＬの強度を調整している。なお、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷを昇温するときには、放射温度計１２０による温度測定は行わない。これは、ハロゲンランプＨＬから照射されるハロゲン光が放射温度計１２０に外乱光として入射し、正確な温度測定ができないためである。
半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後、制御部３は半導体ウェハーＷをその予備加熱温度Ｔ１に暫時維持する。具体的には、接触式温度計１３０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した時刻ｔ１にて制御部３が電力供給回路４５を制御してハロゲンランプＨＬの強度を調整し、半導体ウェハーＷの温度をほぼ予備加熱温度Ｔ１に維持している。
このようなハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行うことによって、半導体ウェハーＷの全体を予備加熱温度Ｔ１に均一に昇温している。ハロゲンランプＨＬによる予備加熱の段階においては、より放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部の温度が中央部よりも低下する傾向にあるが、ハロゲン加熱部４におけるハロゲンランプＨＬの配設密度は、半導体ウェハーＷの中央部に対向する領域よりも周縁部に対向する領域の方が高くなっている。このため、放熱が生じやすい半導体ウェハーＷの周縁部に照射される光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布を均一なものとすることができる。さらに、チャンバー側部６１に装着された反射リング６９の内周面は鏡面とされているため、この反射リング６９の内周面によって半導体ウェハーＷの周縁部に向けて反射する光量が多くなり、予備加熱段階における半導体ウェハーＷの面内温度分布をより均一なものとすることができる。
次に、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達して所定時間が経過した時刻ｔ２にフラッシュランプＦＬから閃光を照射することによるフラッシュ加熱処理を実行する（ステップＳ４）。図１２は、フラッシュ加熱処理の前後における半導体ウェハーＷの表面温度変化を示す図であり、図１１の時刻ｔ２近傍を拡大した図である。なお、半導体ウェハーＷの温度が室温から予備加熱温度Ｔ１に到達するまでの時間（時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間）および予備加熱温度Ｔ１に到達してからフラッシュランプＦＬが発光するまでの時間（時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間）はいずれも数秒程度である。フラッシュランプＦＬがフラッシュ光照射を行うに際しては、予め電源ユニット９５によってコンデンサ９３に電荷を蓄積しておく。そして、コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にて、制御部３のパルス発生器３１からＩＧＢＴ９６にパルス信号を出力してＩＧＢＴ９６をオンオフ駆動する。
パルス信号の波形は、パルス幅の時間（オン時間）とパルス間隔の時間（オフ時間）とをパラメータとして順次設定したレシピを入力部３３から入力することによって規定することができる。このようなレシピをオペレータが入力部３３から制御部３に入力すると、それに従って制御部３の波形設定部３２はオンオフを繰り返すパルス波形を設定する。そして、波形設定部３２によって設定されたパルス波形に従ってパルス発生器３１がパルス信号を出力する。その結果、ＩＧＢＴ９６のゲートには設定された波形のパルス信号が印加され、ＩＧＢＴ９６のオンオフ駆動が制御されることとなる。具体的には、ＩＧＢＴ９６のゲートに入力されるパルス信号がオンのときにはＩＧＢＴ９６がオン状態となり、パルス信号がオフのときにはＩＧＢＴ９６がオフ状態となる。
また、パルス発生器３１から出力するパルス信号がオンになるタイミングと同期して制御部３がトリガー回路９７を制御してトリガー電極９１に高電圧（トリガー電圧）を印加する。コンデンサ９３に電荷が蓄積された状態にてＩＧＢＴ９６のゲートにパルス信号が入力され、かつ、そのパルス信号がオンになるタイミングと同期してトリガー電極９１に高電圧が印加されることにより、パルス信号がオンのときにはガラス管９２内の両端電極間で必ず電流が流れ、そのときのキセノンの原子あるいは分子の励起によって光が放出される。
このようにしてフラッシュランプＦＬが時刻ｔ２１に発光を開始し、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光が照射される。ＩＧＢＴ９６を使用することなくフラッシュランプＦＬを発光させた場合には、コンデンサ９３に蓄積されていた電荷が１回の発光で消費され、フラッシュランプＦＬからの出力波形は幅が０．１ミリセカンドないし１０ミリセカンド程度のシングルパルスとなる。これに対して、本実施の形態では、回路中にスイッチング素子たるＩＧＢＴ９６を接続してそのゲートにパルス信号を出力することにより、コンデンサ９３からフラッシュランプＦＬへの電荷の供給をＩＧＢＴ９６によって断続してフラッシュランプＦＬに流れる電流を制御している。その結果、いわばフラッシュランプＦＬの発光がチョッパ制御されることとなり、コンデンサ９３に蓄積された電荷が分割して消費され、極めて短い時間の間にフラッシュランプＦＬが点滅を繰り返す。なお、回路を流れる電流値が完全に”０”になる前に次のパルスがＩＧＢＴ９６のゲートに印加されて電流値が再度増加するため、フラッシュランプＦＬが点滅を繰り返している間も発光出力が完全に”０”になるものではない。従って、ＩＧＢＴ９６によってフラッシュランプＦＬへの電荷の供給を断続することにより、フラッシュランプＦＬの発光パターンを自在に規定することができ、発光時間および発光強度を自由に調整することができる。もっとも、フラッシュランプＦＬの発光時間は長くても１秒以下である。
高誘電率膜１１７が形成された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射することによって、ゲート電極１１８および高誘電率膜１１７を含む半導体ウェハーＷの表面は時刻ｔ２２に目標温度Ｔ２（第１の温度）にまで昇温する。フラッシュランプＦＬの発光時間は１秒以下の短時間であるため、半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１から目標温度Ｔ２にまで昇温するのに要する時間（時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの時間）も１秒未満の極めて短時間である。目標温度Ｔ２はゲートの高誘電率膜１１７の結晶化を促進することができる１０００℃以上１２００℃以下であり、本実施形態では１１００℃としている。
フラッシュランプＦＬの発光時間は１秒以下の短時間であるため、高誘電率膜１１７が目標温度Ｔ２近傍に加熱されている時間は極めて短い。よって、高温に長時間加熱することに起因した二酸化ケイ素の膜１１６の成長を抑制することができる。なお、高誘電率膜１１７の結晶化に要する時間は酸素の拡散時間に比して顕著に短い。このため、二酸化ケイ素の膜１１６が成長しない程度の短時間であっても、高誘電率膜１１７の結晶化は達成される。
フラッシュランプＦＬによるフラッシュ光照射が終了すると、ＩＧＢＴ９６がオフ状態となってフラッシュランプＦＬの発光が停止し、半導体ウェハーＷの表面温度は目標温度Ｔ２から急速に降温する。そして、時刻ｔ２３には、半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１にまで低下する。ハロゲンランプＨＬによる光照射はフラッシュ光照射の前後にわたって継続して行われている。従って、時刻ｔ２３以降もハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷの温度は予備加熱温度Ｔ１に維持されることとなる。
本実施形態においては、フラッシュ光照射後であって半導体ウェハーＷの表面温度が予備加熱温度Ｔ１に降温するまでの間に、チャンバー６内にフォーミングガスの雰囲気を形成する（ステップＳ５）。具体的には、時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの間にバルブ１８７を開放する。予備加熱開始前よりバルブ１８３が開放されているため、バルブ１８７を開放することによって、ガス供給孔８１から熱処理空間６５に水素ガスと窒素ガスとの混合ガス（フォーミングガス）が供給される。その結果、チャンバー６内にて保持部７に保持された半導体ウェハーＷの周辺にはフォーミングガスの雰囲気が形成される。フォーミングガス雰囲気中における水素ガスの濃度（つまり、水素ガスと窒素ガスとの混合比）は、流量調整弁１８１および流量調整弁１８６によって規定される。本実施の形態では、フォーミングガスの雰囲気中における水素ガスの濃度が約４vol.％となるように、流量調整弁１８６および流量調整弁１８１によって水素ガスおよび窒素ガスの流量が調整されている。
時刻ｔ２３以降においては、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷがアニール温度Ｔ３（第２の温度）に維持される（ステップＳ６）。すなわち、接触式温度計１３０による測定値に基づいて、半導体ウェハーＷの温度がアニール温度Ｔ３となるように制御部３が電力供給回路４５をフィードバック制御してハロゲンランプＨＬの強度を調整している。本実施形態では、フラッシュ加熱前の予備加熱温度Ｔ１とフラッシュ加熱後のアニール温度Ｔ３とを等しくしている。従って、ハロゲンランプＨＬがフラッシュ光照射の前後にわたって同じ照射強度を維持すればそのままフラッシュ加熱後のアニール処理に移行できるため、電力供給回路４５の制御は容易である。
ハロゲンランプＨＬによるアニール処理は、時刻ｔ２３から時刻ｔ３（図１１）まで継続して行われる。すなわち、時刻ｔ２３から時刻ｔ３まで、ハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷがアニール温度Ｔ３に維持される。また、ハロゲンランプＨＬによるアニール処理が実行されている間は、フォーミングガスの雰囲気も継続して形成されている。従って、フラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷはフォーミングガス雰囲気中にてアニールされることとなる。
水素ガスを含むフォーミングガスの雰囲気中にて半導体ウェハーＷがアニール温度Ｔ３に維持されることにより、高誘電率膜１１７とゲート電極１１８および二酸化ケイ素の膜１１６のそれぞれとの界面近傍に存在していた高誘電率材料の未結合手（ダングリングボンド）が水素終端される。これにより、堆積後の高誘電率膜１１７とゲート電極１１８および二酸化ケイ素の膜１１６との界面近傍に存在していた欠陥を消失させることができ、高誘電率膜１１７の界面特性を改善することができる。
このようなアニール処理を行うのに好適なアニール温度Ｔ３は、３００℃以上７００℃以下である。本実施形態では、アニール温度Ｔ３を予備加熱温度Ｔ１と同じ７００℃としている。なお、アニール温度Ｔ３は目標温度Ｔ２よりは必ず低い。このアニール温度Ｔ３が３００℃未満であると、水素終端が進みにくくなる。また、アニール温度Ｔ３が７００℃を超えると、二酸化ケイ素の膜１１６が成長したり、ソース１１２およびドレイン１１３に不純物が注入されている場合にはその不純物が拡散する懸念もある。このため、アニール温度Ｔ３は３００℃以上７００℃以下としている。
また、半導体ウェハーＷをアニール温度Ｔ３に維持するアニール時間、つまり時刻ｔ２３から時刻ｔ３までの時間は、２秒以上３０分以下である。この時間はアニール温度Ｔ３に依存しており、アニール温度Ｔ３が高いほどアニール時間は短くても良い。上述の理由によって、アニール温度Ｔ３の上限は７００℃とされている。アニール温度Ｔ３が上限の７００℃であればアニール時間に２秒要する。一方、アニール時間が３０分を超えると、１枚の半導体ウェハーＷの処理に長時間を要することとなり、熱処理装置１のスループットが低下する。このため、アニール時間は２秒以上３０分以下としている。
やがて、所定のアニール時間が経過した時刻ｔ３にハロゲンランプＨＬが消灯する（ステップＳ７）。これにより、半導体ウェハーＷがアニール温度Ｔ３からの降温を開始する。また、アニール処理が終了する時刻ｔ３にはバルブ１８７のみを閉止して、チャンバー６内を窒素ガス雰囲気に置換する。また、ハロゲンランプＨＬが消灯するのと同時に、シャッター機構２がシャッター板２１をハロゲン加熱部４とチャンバー６との間の遮光位置に挿入する（ステップＳ８）。ハロゲンランプＨＬが消灯しても、すぐにフィラメントや管壁の温度が低下するものではなく、暫時高温のフィラメントおよび管壁から輻射熱が放射され続け、これが半導体ウェハーＷの降温を妨げる。シャッター板２１が挿入されることによって、消灯直後のハロゲンランプＨＬから熱処理空間６５に放射される輻射熱が遮断されることとなり、半導体ウェハーＷの降温速度を高めることができる。
また、シャッター板２１が遮光位置に挿入された時点で放射温度計１２０による温度測定を開始する。すなわち、保持部７に保持された半導体ウェハーＷの下面からサセプター７４の開口部７８を介して放射された赤外光の強度を放射温度計１２０が測定して降温中の半導体ウェハーＷの温度を測定する。測定された半導体ウェハーＷの温度は制御部３に伝達される。
消灯直後の高温のハロゲンランプＨＬからは多少の放射光が放射され続けるのであるが、放射温度計１２０はシャッター板２１が遮光位置に挿入されているときに半導体ウェハーＷの温度測定を行うため、ハロゲンランプＨＬからチャンバー６内の熱処理空間６５へと向かう放射光は遮光されている。従って、放射温度計１２０は外乱光の影響を受けることなく、サセプター７４に保持された半導体ウェハーＷの温度を正確に測定することができる。
制御部３は、放射温度計１２０によって測定される半導体ウェハーＷの温度が所定温度まで降温したか否かを監視する。そして、半導体ウェハーＷの温度が所定以下にまで降温した後、移載機構１０の一対の移載アーム１１が再び退避位置から移載動作位置に水平移動して上昇することにより、リフトピン１２がサセプター７４の上面から突き出て熱処理後の半導体ウェハーＷをサセプター７４から受け取る。続いて、ゲートバルブ１８５により閉鎖されていた搬送開口部６６が開放され、リフトピン１２上に載置された半導体ウェハーＷが装置外部の搬送ロボットにより搬出され（ステップＳ９）、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの加熱処理が完了する。
本実施形態においては、高誘電率膜１１７およびゲート電極１１８が形成された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射して、当該表面を１秒以下の短時間にて１０００℃以上の目標温度Ｔ２にフラッシュ加熱している。ＭＯＣＶＤ或いはＡＬＤの手法によって堆積された高誘電率膜１１７を短時間で１０００℃以上にフラッシュ加熱することにより、二酸化ケイ素の膜１１６の成長を抑制しつつ、高誘電率膜１１７の結晶化を促進することができる。
また、本実施形態では、フラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷにハロゲンランプＨＬから光を照射することによって半導体ウェハーＷの温度をアニール温度Ｔ３に維持している。そして、このフラッシュ加熱後のアニール処理は水素ガスと窒素ガスとの混合ガスの雰囲気中にて実行される。水素ガスを含むフォーミングガスの雰囲気中にて半導体ウェハーＷをアニール温度Ｔ３に維持するアニール処理を実行することにより、高誘電率膜１１７とゲート電極１１８および二酸化ケイ素の膜１１６との界面近傍に存在していた欠陥を水素終端によって消失させることができ、高誘電率膜の界面特性を改善することができる。すなわち、本実施形態の熱処理装置１にて、高誘電率膜１１７を形成した半導体ウェハーＷにフラッシュランプＦＬを用いたフラッシュ加熱を行った後に、水素ガスを含むフォーミングガスの雰囲気中にてハロゲンランプＨＬによってアニール処理を実行することにより、高誘電率膜１１７の結晶化を促進しつつ、高誘電率膜１１７の界面特性をも改善することができるのである。その結果、高誘電率膜１１７を用いたゲートの容量を大きくするとともに、リーク電流を少なくすることができ、デバイスとしての製品寿命を長くすることができる。
また、フラッシュ加熱後のアニール温度Ｔ３をフラッシュ加熱前の予備加熱温度Ｔ１と等しくしているため、フラッシュ光照射の前後にわたってハロゲンランプＨＬの強度をほぼ一定に維持していれば足り、電力供給回路４５の制御を容易なものとすることができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスの雰囲気中にてアニール処理を実行していたが、アニール処理時の雰囲気はこれに限定されるものではない。例えば、水素ガスに代えて、アンモニア（ＮＨ３）、塩化水素（ＨＣｌ）、二酸化硫黄（ＳＯ２）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、または、硫化水素（Ｈ２Ｓ）のいずれかのガスを用いるようにしても良い。これらのガス種も、水素ガスと同様に、高誘電率膜１１７の界面近傍に存在している欠陥を終端により消失させることができる。すなわち、半導体ウェハーＷをアニール温度Ｔ３に維持してのアニール処理は、水素、アンモニア、塩化水素、二酸化硫黄、亜酸化窒素、硫化水素からなる群から選択されたいずれかのガスを含む雰囲気中にて実行するものであれば良い。
また、本発明における水素は、いわゆる軽水素（Ｈ）のみならず、重水素（Ｄ）および三重水素（Ｔ）を含む。重水素または三重水素のガスを含む雰囲気中にて半導体ウェハーＷのアニール処理を実行すれば、高誘電率膜１１７の界面近傍に存在している欠陥を良好に消失させることができる。
また、水素−窒素混合ガス中における水素ガスの濃度は４vol.％に限定されるものではなく、適宜の値とすることができる。また、水素ガスと窒素ガスとが予め所定濃度で混合されたフォーミングガスを使用するようにしても良い。
また、上記実施形態においては、フラッシュ光照射後にチャンバー６内に水素−窒素混合ガスの雰囲気を形成するようにしていたが、フラッシュ光照射前からチャンバー６内への水素ガスの供給を開始して混合ガスの雰囲気を形成するようにしても良い。すなわち、半導体ウェハーＷをアニール温度Ｔ３に維持してのアニール処理を開始する時点で水素−窒素混合ガスの雰囲気が形成されていれば良い。
上記実施形態にて、フラッシュ光照射前に水素−窒素混合ガスの雰囲気を形成した場合、半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１に加熱する予備加熱がアニール処理と同様の意義を有する処理となり、予備加熱中にも高誘電率膜１１７の界面近傍に存在している欠陥が終端により消失されることとなる。すなわち、欠陥を消失させるためのアニール処理は、フラッシュ加熱後に限定されるものではなく、フラッシュ加熱前に行っても良いのである。もっとも、フラッシュ加熱前に欠陥の終端を行うと、フラッシュ光照射時に半導体ウェハーＷの表面が１０００℃以上に昇温したときに終端の効果が喪失されるおそれがあるため、上記実施形態のようにアニール処理はフラッシュ加熱後に行う方が好ましい。
また、上記実施形態においては、アニール温度Ｔ３を予備加熱温度Ｔ１と等しくしていたが、これに限定されるものではなく、アニール温度Ｔ３を予備加熱温度Ｔ１と異なる温度としても良い。図１３は、フラッシュ加熱処理の前後における半導体ウェハーＷの表面温度変化の他の例を示す図である。上記実施形態と同様に、半導体ウェハーＷは予備加熱温度Ｔ１にて予備加熱されており、フラッシュランプＦＬが時刻ｔ２１にフラッシュ光照射を開始する。これにより、半導体ウェハーＷの表面は時刻ｔ２２に目標温度Ｔ２にまで昇温する。そして、フラッシュランプＦＬの発光が停止すると、半導体ウェハーＷの表面温度は目標温度Ｔ２から降温し、時刻ｔ２４にはアニール温度Ｔ３に到達する。
図１３の例におけるアニール温度Ｔ３は予備加熱温度Ｔ１よりも低温ではある。よって、半導体ウェハーＷの降温に要する時間（時刻ｔ２２から時刻ｔ２４までの時間）は、上記実施形態の時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの時間よりも長い。但し、図１３のアニール温度Ｔ３も３００℃以上７００℃以下である。そして、時刻ｔ２４からハロゲンランプＨＬの光照射によって半導体ウェハーＷをアニール温度Ｔ３に維持するアニール処理が開始される。アニール処理を開始する前にチャンバー６内に水素−窒素混合ガスの雰囲気を形成しておくのは上記実施形態と同様である。また、半導体ウェハーＷのアニール時間は２秒以上３０分以下である。このようにしても上記実施形態と同様に、高誘電率膜１１７の界面近傍に存在していた欠陥を消失させて界面特性を改善することができる。また、図１３の例とは逆に、アニール温度Ｔ３が予備加熱温度Ｔ１より高温であっても良い。
また、上記実施形態においては、パルス信号がオンになるタイミングと同期してトリガー電極９１に電圧を印加するようにしていたが、トリガー電圧を印加するタイミングはこれに限定されるものではなく、パルス信号の波形とは無関係に一定間隔で印加するようにしても良い。また、パルス信号の間隔が短く、あるパルスによってフラッシュランプＦＬを流れた電流の電流値が所定値以上残っている状態で次のパルスによって通電を開始されるような場合であれば、そのままフラッシュランプＦＬに電流が流れ続けるため、パルス毎にトリガー電圧を印加する必要はない。つまり、パルス信号がオンになるときに、フラッシュランプＦＬに電流が流れるタイミングであれば、トリガー電圧の印加タイミングは任意である。
また、上記実施形態においては、スイッチング素子としてＩＧＢＴ９６を用いていたが、これに代えてゲートに入力された信号レベルに応じて回路をオンオフできる他のトランジスタを用いるようにしても良い。もっとも、フラッシュランプＦＬの発光には相当に大きな電力が消費されるため、大電力の取り扱いに適したＩＧＢＴやＧＴＯ(Gate Turn Off)サイリスタをスイッチング素子として採用するのが好ましい。
また、上記実施形態においては、フラッシュ加熱部５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。また、ハロゲン加熱部４に備えるハロゲンランプＨＬの本数も４０本に限定されるものではなく、任意の数とすることができる。
また、本発明に係る熱処理装置によって処理対象となる基板は半導体ウェハーに限定されるものではなく、液晶表示装置などのフラットパネルディスプレイに用いるガラス基板や太陽電池用の基板であっても良い。
１ 熱処理装置
２ シャッター機構
３ 制御部
４ ハロゲン加熱部
５ フラッシュ加熱部
６ チャンバー
７ 保持部
１０ 移載機構
６１ チャンバー側部
６２ 凹部
６３ 上側チャンバー窓
６４ 下側チャンバー窓
６５ 熱処理空間
７４ サセプター
９１ トリガー電極
９２ ガラス管
９３ コンデンサ
９４ コイル
９６ ＩＧＢＴ
９７ トリガー回路
１１１ 基材
１１６ 二酸化ケイ素の膜
１１７ 高誘電率膜
１１８ ゲート電極
１８０ 雰囲気形成機構
ＦＬ フラッシュランプ
ＨＬ ハロゲンランプ
Ｗ 半導体ウェハー

Claims (12)

  1. 高誘電率膜を形成した基板に光を照射して加熱することによって前記高誘電率膜の結晶化を促進する熱処理方法であって、
    前記高誘電率膜が形成された基板の表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射することによって前記高誘電率膜を含む前記基板の表面を第１の温度に加熱するフラッシュ加熱工程と、
    前記基板にハロゲンランプから光を照射することによって前記基板の温度を前記第１の温度よりも低い第２の温度に維持するアニール工程と、
    を備え、
    前記アニール工程は、水素、アンモニア、塩化水素、二酸化硫黄、亜酸化窒素、硫化水素からなる群から選択されたいずれかのガスを含む雰囲気中にて実行されることを特徴とする熱処理方法。
  2. 請求項１記載の熱処理方法において、
    前記アニール工程では、前記基板の温度を３００℃以上７００℃以下に２秒以上３０分以下維持することを特徴とする熱処理方法。
  3. 請求項１または請求項２記載の熱処理方法において、
    前記アニール工程は前記フラッシュ加熱工程の後に実行されることを特徴とする熱処理方法。
  4. 請求項３記載の熱処理方法において、
    前記フラッシュ加熱工程の前に前記基板に前記ハロゲンランプから光を照射することによって前記基板の温度を前記第２の温度に加熱する予備加熱工程をさらに備えることを特徴とする熱処理方法。
  5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記高誘電率膜の上に、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステンからなる群から選択された１種以上の金属を含むゲート電極を形成することを特徴とする熱処理方法。
  6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記高誘電率膜は、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＭｏＮ、ＷＮ、ＴｉＳｉＮ、ＨｆＳｉＮ、ＶＳｉＮ、ＮｂＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＭｏＳｉＮ、ＷＳｉＮ、ＨｆＡｌＮ、ＶＡｌＮ、ＮｂＡｌＮ、ＴａＡｌＮ、ＭｏＡｌＮ、ＷＡｌＮからなる群から選択された１種以上を含むことを特徴とする熱処理方法。
  7. 高誘電率膜を形成した基板に光を照射して加熱することによって前記高誘電率膜の結晶化を促進する熱処理装置であって、
    前記高誘電率膜が形成された基板を収容するチャンバーと、
    前記チャンバー内にて前記基板を保持する保持手段と、
    前記保持手段に保持された前記基板の表面にフラッシュ光を照射して前記高誘電率膜を含む前記基板の表面を第１の温度に加熱するフラッシュランプと、
    前記保持手段に保持された基板に光を照射するハロゲンランプと、
    前記チャンバー内に、水素、アンモニア、塩化水素、二酸化硫黄、亜酸化窒素、硫化水素からなる群から選択されたいずれかのガスを供給して当該ガスを含む雰囲気を形成する雰囲気形成手段と、
    前記チャンバー内に前記ガスを含む雰囲気形成しつつ、前記基板に前記ハロゲンランプから光を照射することによって前記基板の温度を前記第１の温度よりも低い第２の温度に維持するように前記ハロゲンランプの発光および前記雰囲気形成手段を制御する制御手段と、
    を備えることを特徴とする熱処理装置。
  8. 請求項７記載の熱処理装置において、
    前記第２の温度は３００℃以上７００℃以下であり、
    前記制御手段は、前記基板を前記第２の温度に２秒以上３０分以下維持するように前記ハロゲンランプの発光を制御することを特徴とする熱処理装置。
  9. 請求項７または請求項８記載の熱処理装置において、
    前記制御手段は、前記フラッシュランプからのフラッシュ光照射によって前記基板の表面が前記第１の温度に加熱された後に、前記基板を前記第２の温度に維持するように前記ハロゲンランプの発光を制御することを特徴とする熱処理装置。
  10. 請求項９記載の熱処理装置において、
    前記制御手段は、前記フラッシュランプからのフラッシュ光照射によって前記基板の表面が前記第１の温度に加熱される前に、前記基板が前記第２の温度に加熱されるように前記ハロゲンランプの発光を制御することを特徴とする熱処理装置。
  11. 請求項７から請求項１０のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記高誘電率膜の上には、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステンからなる群から選択された１種以上の金属を含むゲート電極が形成されていることを特徴とする熱処理装置。
  12. 請求項７から請求項１１のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記高誘電率膜は、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＭｏＮ、ＷＮ、ＴｉＳｉＮ、ＨｆＳｉＮ、ＶＳｉＮ、ＮｂＳｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＭｏＳｉＮ、ＷＳｉＮ、ＨｆＡｌＮ、ＶＡｌＮ、ＮｂＡｌＮ、ＴａＡｌＮ、ＭｏＡｌＮ、ＷＡｌＮからなる群から選択された１種以上を含むことを特徴とする熱処理装置。
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