JP2016105487A - 熱処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】加熱処理時における膜中の異常結晶成長を防止することができる熱処理方法を提供する。【解決手段】表面にhigh-k膜が形成された半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入されて保持プレート７に保持される。チャンバー６内の雰囲気は、high-k材料の膜厚に応じて窒素にヘリウムまたはアルゴンを混合した混合ガス、或いは、酸素に窒素を混合した混合ガスとされる。そのような雰囲気中にてフラッシュ照射部５のフラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷに向けてフラッシュ光が照射され、high-k膜の加熱処理が行われる。発光時間が極めて短く強度の強いフラッシュ光であれば、薄膜の表面温度を瞬間的に昇温させてすぐに降温させることができる。このため、膜中に長時間焼成に起因した異常結晶成長が生じるのを防止してhigh-k膜に結晶性を付与することができる。【選択図】図１
Description
本発明は、半導体ウェハーや液晶表示装置用ガラス基板等の薄板状の精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）の表面に形成されたhigh-k膜の加熱処理を行う熱処理方法に関する。
半導体デバイスや液晶ディスプレイなどの製造に際して、上記基板に対する薄膜形成は欠くことの出来ない重要技術である。例えば、半導体ウェハーにパターン形成を行うためのフォトリソグラフィーにおいては、ウェハー上にレジスト膜や反射防止膜を形成する。また、半導体ウェハーの表面に絶縁のための層間絶縁膜や電極配線などのための金属膜を形成することもある。さらに、液晶表示装置用のガラス基板にはシリコン（Ｓｉ）の多結晶または非晶質の膜を形成することが行われている。
これらの薄膜を形成するための技術としては、真空蒸着やスパッタリングなどの物理的気相成長法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）に代表される化学的気相成長法、および、スピンコートなどの塗布法が広く用いられている。いずれの手法を用いた場合であっても、基板上に形成した薄膜の焼成処理を行うことがある。塗布法によって形成された薄膜であれば、塗布液中の溶媒を揮発させる必要があり、スパッタリングやＣＶＤを用いて形成された薄膜であっても焼き締めを行う場合がある。
従来、薄膜の焼成処理は、上記の種々の手法によって表面に薄膜を形成した基板をホットプレート上に載置し、その薄膜を加熱することによって行われてきた。例えば、特許文献１には、反射防止膜の一種であるＢＡＲＣ（Bottom Anti-Reflection Coating）の塗布液をスピンコートによって基板に塗布し、その基板をホットプレート上に載置して加熱することにより反射防止膜の焼成処理を行う技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示されるようなホットプレートでの加熱によって薄膜の焼成処理を行った場合には、膜中に異常結晶成長が生じやすいという問題があった。すなわち、加熱によって膜中の結晶粒が粗大化し、一部の結晶粒が異常成長した結果、薄膜と下地基板との境界や粒界に凹凸が生じることがあった。近年、ますますパターンの微細化が進展している状況においては、このような凹凸が高精度のパターン形成の阻害要因となる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、加熱処理時における膜中の異常結晶成長を防止することができる熱処理方法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、基板の表面に形成されたhigh-k膜の加熱処理を行う熱処理方法において、high-k膜が表面に形成された基板をチャンバー内に収容して保持手段に保持する収容工程と、前記チャンバーから排気を行う排気工程と、前記チャンバー内に処理ガスを供給するガス供給工程と、前記保持手段に保持された前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ照射工程と、を備え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、前記排気工程および前記ガス供給工程によって前記チャンバー内の窒素濃度をコントロールしつつ前記基板にフラッシュ光を照射することを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項２の発明に係る熱処理方法において、前記排気工程および前記ガス供給工程によって前記チャンバー内の酸素濃度をコントロールしつつ前記基板にフラッシュ光を照射す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、前記ガス供給工程では、前記high-k膜が所定値よりも薄いときには窒素にヘリウムまたはアルゴンを混合した混合ガスを前記チャンバー内に供給し、前記high-k膜が所定値よりも厚いときには酸素に窒素を混合した混合ガスを前記チャンバー内に供給す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、前記基板にフラッシュ光を照射することによって前記high-k膜に結晶性を付与することを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項１の発明に係る熱処理方法において、前記ガス供給工程では、水素に窒素を混合した混合ガスを前記チャンバー内に供給することを特徴とする。
請求項１から請求項６の発明によれば、high-k膜が表面に形成された基板にフラッシュ光を照射して当該high-k膜の加熱処理を行うため、high-k膜の表面温度を瞬間的に上昇させて急速に下降させることができ、加熱処理時における膜中の異常結晶成長を防止することができる。
特に、請求項４の発明によれば、high-k膜が所定値よりも薄いときには窒素にヘリウムまたはアルゴンを混合した混合ガスをチャンバー内に供給し、high-k膜が所定値よりも厚いときには酸素に窒素を混合した混合ガスをチャンバー内に供給するため、high-k膜に所望の電気特性を付与することができる。
特に、請求項６の発明によれば、水素に窒素を混合した混合ガスをチャンバー内に供給するため、high-k膜の周囲に存在する膜に対する欠陥制御を行うことができる。
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。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明に係る熱処理装置１の要部構成を示す図である。この熱処理装置１は、基板として略円形の半導体ウェハーＷの表面に薄膜を形成したものにフラッシュ光を照射してその薄膜の焼成処理を行うフラッシュランプアニール装置である。図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
図１は、本発明に係る熱処理装置１の要部構成を示す図である。この熱処理装置１は、基板として略円形の半導体ウェハーＷの表面に薄膜を形成したものにフラッシュ光を照射してその薄膜の焼成処理を行うフラッシュランプアニール装置である。図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
熱処理装置１は、主たる構成として、半導体ウェハーＷを収容する略円筒形状のチャンバー６と、チャンバー６内にて半導体ウェハーＷを保持する保持プレート７と、チャンバー６内の半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射するフラッシュ照射部５と、チャンバー６内に処理ガスを供給するガス供給部８と、チャンバー６から排気を行う排気部９と、を備えている。また、熱処理装置１は、これらの各部を制御して薄膜焼成処理を実行させる制御部３を備える。
チャンバー６は、フラッシュ照射部５の下方に設けられており、略円筒状の内壁を有するチャンバー側部６３、および、チャンバー側部６３の下部を覆うチャンバー底部６２によって構成される。また、チャンバー側部６３およびチャンバー底部６２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６の上部開口にはチャンバー窓６１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チャンバー窓６１は、石英により形成された円板形状部材であり、フラッシュ照射部５から出射されたフラッシュ光を熱処理空間６５に透過する石英窓として機能する。チャンバー６の本体を構成するチャンバー底部６２およびチャンバー側部６３は、例えば、ステンレススチール等の強度と耐熱性に優れた金属材料にて形成されている。
また、熱処理空間６５の気密性を維持するために、チャンバー窓６１とチャンバー側部６３とは図示省略のＯリングによってシールされている。すなわち、チャンバー窓６１の下面周縁部とチャンバー側部６３との間にはＯリングを挟み込み、これらの隙間から気体が流出入するのを防いでいる。
チャンバー側部６３には、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６６が設けられている。搬送開口部６６は、図示を省略するゲートバルブによって開閉可能とされている。搬送開口部６６が開放されると、図外の搬送ロボットによってチャンバー６に対する半導体ウェハーＷの搬入および搬出が可能となる。また、搬送開口部６６が閉鎖されると、熱処理空間６５が外部との通気が遮断された密閉空間となる。
保持プレート７は、金属製（例えば、アルミニウム）の略円板形状の部材であり、チャンバー６内にて半導体ウェハーＷを載置して水平姿勢（主面の法線方向が鉛直方向に沿う姿勢）に保持する。図２は、保持プレート７の構成を示す断面図である。保持プレート７は、ヒータ７１および水冷管７２を内蔵する。ヒータ７１は、ニクロム線などの抵抗加熱線で構成されており、図外の電力供給源からの電力供給を受けて発熱し、保持プレート７を加熱する。水冷管７２は、図外の冷却水供給源から供給された冷却水が流れることによって、保持プレート７を冷却する。
ヒータ７１および水冷管７２はともに保持プレート７の内部に周回するように設けられている。ヒータ７１および水冷管７２は、少なくとも保持プレート７のうちの載置する半導体ウェハーＷに対向する領域には均一な配設密度にて設けられている。このためヒータ７１および水冷管７２は、それぞれ当該領域を均一に加熱および冷却することができる。ヒータ７１への電力供給量および水冷管７２への冷却水供給量は制御部３によって制御される。
また、保持プレート７の内部には熱電対を用いて構成された温度センサ７３が配設されている。温度センサ７３は保持プレート７の上面近傍の温度を測定する。温度センサ７３による測定結果は制御部３に伝達される。なお、温度センサ７３は、保持プレート７が載置する半導体ウェハーＷに対向する領域に複数設けるようにしても良い。
保持プレート７の上面には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の部材から構成された複数個（本実施の形態では３個）のプロキシミティボール７５が配設されている。３個のプロキシミティボール７５は、その上端が保持プレート７の上面から微少量だけ突出する状態で配設されている。このため、３個のプロキシミティボール７５によって半導体ウェハーＷを支持したときには、半導体ウェハーＷの裏面と保持プレート７の上面との間にいわゆるプロキシミティギャップと称される微小間隔が形成される。なお、保持プレート７の上面にサセプタを設置し、そのサセプタにて半導体ウェハーＷを支持するようにしても良い。
３個のプロキシミティボール７５を介して保持プレート７に載置された半導体ウェハーＷは、ヒータ７１および水冷管７２によって所定温度に温調される。すなわち、ヒータ７１は保持プレート７に保持される半導体ウェハーＷを加熱し、水冷管７２は当該半導体ウェハーＷを冷却し、その結果として半導体ウェハーＷが所定温度に温調されることとなる。
保持プレート７に保持した半導体ウェハーＷを温調する際には、温度センサ７３により計測される保持プレート７の温度が予め設定された所定の温度となるように、ヒータ７１への電力供給量および水冷管７２への冷却水供給量が制御部３によって制御される。すなわち、制御部３による保持プレート７の温度制御はフィードバック制御であり、より具体的にはＰＩＤ(Proportional,Integral,Derivative)制御により行われる。
本実施形態においては、加熱手段たるヒータ７１および冷却手段たる水冷管７２の双方を保持プレート７に設けているため、これらの協働によって保持プレート７に保持する半導体ウェハーＷを室温から２００℃以下までの比較的低い温度に温調することができる。
図１に戻り、保持プレート７には、その上面に出没する複数本（本実施の形態では３本）のリフトピン７７が設けられている。３本のリフトピン７７の上端高さ位置は同一水平面内に含まれる。３本のリフトピン７７はエアシリンダ７８によって一括して鉛直方向に沿って昇降される。各リフトピン７７は、保持プレート７に上下に貫通して設けられた挿通孔の内側に沿って昇降する。エアシリンダ７８が３本のリフトピン７７を上昇させると、各リフトピン７７の先端が保持プレート７の上面から突出する。また、エアシリンダ７８が３本のリフトピン７７を下降させると、各リフトピン７７の先端が保持プレート７の挿通孔の内部に埋入する。
熱処理空間６５の上部であって、チャンバー窓６１の直下には、吹き出しプレート６８が設けられている。図３は、吹き出しプレート６８の平面図である。吹き出しプレート６８は、石英にて形成された円板形状部材であり、保持プレート７に保持された半導体ウェハーＷの表面に対向するように水平姿勢に設置されている。図３に示すように、吹き出しプレート６８には、多数の吐出孔６９が穿設されている。具体的には、少なくとも保持プレート７に保持された半導体ウェハーＷの表面に対向する吹き出しプレート６８の領域には均一な密度にて複数の吐出孔６９が穿設されている。
ガス供給部８は、チャンバー窓６１と吹き出しプレート６８との間に形成されたガス溜め空間６７に処理ガスを供給する。本実施形態のガス供給部８は、不活性ガス供給部８１、反応性ガス供給部８４およびクリーニングガス供給部８７を有する。不活性ガス供給部８１は、不活性ガス供給源８２とバルブ８３と流量調整バルブ１８３とを備えており、バルブ８３を開放することによってガス溜め空間６７に不活性ガスを供給する。不活性ガス供給部８１が供給する不活性ガスの流量は流量調整バルブ１８３によって調整される。
また、反応性ガス供給部８４は、反応性ガス供給源８５とバルブ８６と流量調整バルブ１８６とを備えており、バルブ８６を開放することによってガス溜め空間６７に反応性ガスを供給する。反応性ガス供給部８４が供給する反応性ガスの流量は流量調整バルブ１８６によって調整される。
同様に、クリーニングガス供給部８７は、クリーニングガス供給源８８とバルブ８９と流量調整バルブ１８９を備えており、バルブ８９を開放することによってガス溜め空間６７にクリーニングガスを供給する。クリーニングガス供給部８７が供給するクリーニングガスの流量は流量調整バルブ１８９によって調整される。なお、不活性ガス供給源８２、反応性ガス供給源８５、クリーニングガス供給源８８としては、熱処理装置１内に設けられた気体タンクと送給ポンプとで構成するようにしても良いし、熱処理装置１が設置される工場の用力を用いるにようにしても良い。
ガス供給部８は、３つのバルブ８３，８６，８９のうちの２つ以上を開放することによって、チャンバー６のガス溜め空間６７に混合ガスを供給することができる。例えば、ガス供給部８は、バルブ８３およびバルブ８６の双方を開放することによって、チャンバー６内に反応性ガスと不活性ガスとを混合した混合ガスを供給することができる。
ここで、「不活性ガス」は、半導体ウェハーＷの表面に形成された薄膜および半導体ウェハーＷの材質との反応性に乏しいガスであり、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などである。「反応性ガス」は、半導体ウェハーＷの表面に形成された薄膜との反応性に富むガスであり、酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）、塩素（Ｃｌ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、塩化水素（ＨＣｌ）、オゾン（Ｏ３）、アンモニア（ＮＨ３）などの他に臭素（Ｂｒ）系化合物ガスやフッ素（Ｆ）系化合物ガスが該当する。但し、熱処理装置１における熱処理の目的によっては、窒素は不活性ガスとしてのみならず反応性ガスともなり得る。
また、「クリーニングガス」は、後述するようなチャンバー６内に付着した汚染物質と反応するガスであり、酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）、塩素（Ｃｌ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、塩化水素（ＨＣｌ）、オゾン（Ｏ３）、フッ素系（Ｆ）化合物ガスなどが該当する。本明細書においては、これら不活性ガス、反応性ガスおよびクリーニングガスを総称して処理のための「処理ガス」とする。なお、反応性ガスとクリーニングガスとは共通するガス種を含むものであり、反応性ガス供給部８４とクリーニングガス供給部８７とを兼用するようにしても良い。
ガス供給部８からガス溜め空間６７に供給された処理ガスは吹き出しプレート６８に穿設された複数の吐出孔６９から下方に向けて吐出される。このときに、ガス溜め空間６７における流体の通過抵抗は吐出孔６９の通過抵抗よりも小さいため、ガス供給部８から供給された処理ガスは一旦ガス溜め空間６７内を拡がるように流れてから複数の吐出孔６９から均一に吐出されることとなる。また、複数の吐出孔６９は、保持プレート７に保持された半導体ウェハーＷに対向する領域には均一な密度にて設けられている。従って、吹き出しプレート６８からは保持プレート７に保持された半導体ウェハーＷの表面全面に均等に処理ガスが吹き付けられることとなる。
排気部９は、排気装置９１およびバルブ９２を備えており、バルブ９２を開放することによって排気口９３からチャンバー６内の雰囲気を排気する。排気口９３は、保持プレート７を囲繞するようにチャンバー側部６３に形成されたスリットである。排気口９３が形成される高さ位置は、保持プレート７に保持される半導体ウェハーＷと同じ高さ位置以下であり、半導体ウェハーＷよりもやや下方が好ましい。保持プレート７を取り囲むように形成されたスリット状の排気口９３から排気部９が排気を行うことによって、保持プレート７に保持される半導体ウェハーＷの周囲から均等に気体の排出が行われることとなる。
排気装置９１としては、真空ポンプや熱処理装置１が設置される工場の排気ユーティリティを用いることができる。排気装置９１として真空ポンプを採用し、ガス供給部８から処理ガスを供給することなく密閉空間である熱処理空間６５の雰囲気を排気すると、チャンバー６内を真空雰囲気にまで減圧することができる。また、排気装置９１として真空ポンプを用いていない場合であっても、ガス供給部８から処理ガスを供給することなく排気を行うことにより、チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧に減圧することができる。
また、熱処理装置１のチャンバー６には、濃度センサ１８０が設けられている。濃度センサ１８０は、チャンバー６内に不活性ガスと反応性ガスとの混合ガスが供給されたときに、熱処理空間６５における混合ガス中の反応性ガスの濃度を測定する。
フラッシュ照射部５は、チャンバー６の上方に設けられている。フラッシュ照射部５は、複数本（本実施形態では３０本であるが、図１では図示の便宜上９本のみ記載）のフラッシュランプ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。フラッシュ照射部５は、チャンバー６内にて保持プレート７に保持される半導体ウェハーＷに石英のチャンバー窓６１よび吹き出しプレート６８を介してフラッシュランプＦＬから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プレート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。
本実施形態では、フラッシュランプＦＬとしてキセノンフラッシュランプを用いている。キセノンフラッシュランプＦＬは、その内部にキセノンガスが封入されその両端部にコンデンサーに接続された陽極および陰極が配設された棒状のガラス管（放電管）と、該ガラス管の外周面上に付設されたトリガー電極とを備える。キセノンガスは電気的には絶縁体であることから、コンデンサーに電荷が蓄積されていたとしても通常の状態ではガラス管内に電気は流れない。しかしながら、トリガー電極に高電圧を印加して絶縁を破壊した場合には、コンデンサーに蓄えられた電気が両端電極間の放電によってガラス管内に瞬時に流れ、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。このようなキセノンフラッシュランプＦＬにおいては、予めコンデンサーに蓄えられていた静電エネルギーが０．１ミリセカンドないし１００ミリセカンドという極めて短い光パルスに変換されることから、連続点灯の光源に比べて極めて強い光を照射し得るという特徴を有する。
また、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から出射されたフラッシュ光を保持プレート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梨地模様を呈する。
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。
次に、上記構成を有する熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順について説明する。図４は、熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順を示すフローチャートである。また、図５は、半導体ウェハーＷの表面温度（厳密には薄膜の表面温度）の変化を示す図である。以下に説明する熱処理装置１の処理手順は、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。
まず、図示省略のゲートバルブ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を介して処理対象となる半導体ウェハーＷがチャンバー６内に搬入される（ステップＳ１）。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷは、表面に薄膜が形成された半導体基板である。半導体ウェハーＷの表面に形成される薄膜は、有機系の膜であっても良いし、金属系の膜であっても良い。有機系の膜としては、エキシマレーザに対応した化学増幅型レジスト膜を含むレジスト膜、ＢＡＲＣやＴＡＲＣ（Top Anti-Reflection Coating）を含む反射防止膜、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの強誘電体膜やlow-k膜を含む層間絶縁膜などが該当する。金属系の膜としては、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、チタン（Ｔｉ）やそれらの合金などの膜が該当する。
このような膜が本発明に係る熱処理装置１とは別の装置にて半導体ウェハーＷの表面に形成され、その半導体ウェハーＷが熱処理装置１のチャンバー６に搬入される。半導体ウェハーＷの表面に薄膜を形成する手法は、既述したようなスパッタリングなどの物理的気相成長法、ＣＶＤに代表される化学的気相成長法、或いはスピンコートなどの塗布法のいずれであっても良い。
表面に薄膜が形成された半導体ウェハーＷを保持した搬送ロボットのハンドが搬送開口部６６からチャンバー６内に進入し、保持プレート７の直上にて停止する。続いて、３本のリフトピン７７が上昇してハンドから半導体ウェハーＷを受け取る。図５に示す時刻ｔ１は、リフトピン７７が半導体ウェハーＷを受け取った時刻である。その後、搬送ロボットのハンドがチャンバー６から退出するとともに、搬送開口部６６が閉鎖されることによりチャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。
熱処理空間６５が密閉空間とされた後、チャンバー６内の雰囲気置換が実行される（ステップＳ２）。本実施形態においては、置換効率を高めるために、ガス供給部８から処理ガスを供給することなく排気部９が熱処理空間６５から排気を行うことによって、一旦チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧に減圧している。そして、チャンバー６内が所定圧にまで減圧された後、ガス供給部８からの処理ガス供給を開始する。一旦チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧に減圧してから処理ガスの供給を行うことによって、置換効率を高めてチャンバー６内を迅速に処理ガスの雰囲気に置換することができる。
ガス供給部８からの処理ガス供給を開始した後も、継続して排気部９による排気を行う。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５を常に一定濃度の処理ガス雰囲気に維持しつつ、吹き出しプレート６８の複数の吐出孔６９から下方の半導体ウェハーＷに向けて流下した処理ガスが半導体ウェハーＷの周囲から排出されるという処理ガス流が形成される。なお、一旦チャンバー６内を減圧するのに代えて、排気部９による排気を開始すると同時にガス供給部８からの処理ガス供給を開始するようにしても、チャンバー６内を処理ガスの雰囲気に置換することはできる。
ガス供給部８からチャンバー６内に供給する処理ガスは、処理対象となる半導体ウェハーＷの表面に形成されている膜種および焼成処理目的に応じた適宜のものが用いられる。例えば、レジスト膜の固化（いわゆるＰＡＢ（Post Applied Bake））を行うのであれば、不活性ガス供給部８１から窒素ガスなどの不活性ガスを供給し、チャンバー６内を不活性雰囲気とするのが好ましい。また、膜表面の改質処理を行うのであれば、反応性ガス供給部８４から反応性ガスを供給するのが好ましい。
チャンバー６内の雰囲気置換が行われた後、半導体ウェハーＷを支持する３本のリフトピン７７が下降して保持プレート７の挿通孔の内部に埋入する。リフトピン７７が下降する過程において、時刻ｔ２にて半導体ウェハーＷはリフトピン７７から保持プレート７の上面に渡され、その上面に載置・保持される。
保持プレート７は、ヒータ７１および水冷管７２によって予め所定温度に温調されている。保持プレート７の温調温度Ｔ１は、半導体ウェハーＷの表面に形成されている膜種および焼成処理目的に応じて２００℃以下の適宜の温度とすることができる。制御部３は、温度センサ７３の測定結果に基づいて、保持プレート７の温度がその温調温度Ｔ１となるようにヒータ７１への電力供給量および水冷管７２への冷却水供給量を制御する。これにより、保持プレート７の上面の温度も当該温調温度Ｔ１に維持されることとなる。
リフトピン７７が下降して半導体ウェハーＷが所定温度に温調された保持プレート７に載置されることにより、時刻ｔ２からその半導体ウェハーＷに対する保持プレート７（厳密にはヒータ７１および水冷管７２）による温調が開始される（ステップＳ３）。これにより、半導体ウェハーＷの温度が室温から所定の温調温度Ｔ１にまで次第に上昇する。
半導体ウェハーＷが保持プレート７に載置・保持されてから所定時間待機する（ステップＳ４）。この間に表面に形成された薄膜を含む半導体ウェハーＷの全体が温調温度Ｔ１に加熱される。そして、時刻ｔ２にリフトピン７７が下降して半導体ウェハーＷの温調が開始されてから所定時間が経過した時刻ｔ３に、制御部３の制御によりフラッシュ照射部５のフラッシュランプＦＬから保持プレート７に保持された半導体ウェハーＷへ向けてフラッシュ光が照射される（ステップＳ５）。フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光の一部は直接にチャンバー６内の保持プレート７へと向かい、他の一部は一旦リフレクタ５２により反射されてからチャンバー６内へと向かう。このようなフラッシュ光の照射によって、半導体ウェハーＷの表面に形成された薄膜がフラッシュ加熱される。
フラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予め蓄えられていた静電エネルギーが極めて短い光パルスに変換された、照射時間が０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度の極めて短く強い閃光である。フラッシュランプＦＬからフラッシュ光が照射された薄膜の表面温度は、瞬間的に処理温度Ｔ２にまで上昇し、その後薄膜から下地の半導体ウェハーＷへの熱伝導によって急速に温調温度Ｔ１にまで下降する。このようなフラッシュ加熱によって、半導体ウェハーＷの表面に形成された薄膜の焼成処理が行われる。なお、薄膜の表面が到達する最高温度である処理温度Ｔ２は６００℃以下である。また、フラッシュ光が照射されて薄膜の表面温度が昇温を開始した時刻ｔ３から温調温度Ｔ１にまで降温した時刻ｔ４までの時間は１秒以下である。
フラッシュ加熱が終了した後、半導体ウェハーＷが保持プレート７に保持されたまま所定時間待機する（ステップＳ６）。この間、表面に形成された薄膜を含む半導体ウェハーＷの全体が温調温度Ｔ１に維持されている。すなわち、フラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射する前後双方において、半導体ウェハーＷを所定の温調温度Ｔ１に維持するように制御部３が保持プレート７のヒータ７１への電力供給量および水冷管７２への冷却水供給量を制御する。やがて、所定時間が経過して時刻ｔ５に到達した時点にて、３本のリフトピン７７が上昇し、保持プレート７に載置されていた半導体ウェハーＷを突き上げて保持プレート７から離間させる（ステップＳ７）。半導体ウェハーＷが保持プレート７から離間することによって、保持プレート７から半導体ウェハーＷへの熱供給が停止されて温調が終了し、半導体ウェハーＷの温度が徐々に低下する。なお、半導体ウェハーＷに対する温調が開始された時刻ｔ２から温調が終了する時刻ｔ５までの時間（温調時間）は６０秒〜９０秒である。
その後、搬送開口部６６が再び開放され、搬送ロボットのハンドが搬送開口部６６からチャンバー６内に進入して半導体ウェハーＷの直下で停止する。続いて、リフトピン７７が下降することによって、時刻ｔ６にて半導体ウェハーＷがリフトピン７７から搬送ロボットに渡される。そして、半導体ウェハーＷを受け取った搬送ロボットのハンドがチャンバー６から退出することにより、半導体ウェハーＷがチャンバー６から搬出され、熱処理装置１における薄膜の焼成処理が完了する（ステップＳ８）。
リフトピン７７が上昇して半導体ウェハーＷの温調が終了してから搬送開口部６６を開放するまでの間に、チャンバー６内の雰囲気を再び置換するようにしても良い。例えば、処理中にチャンバー６内が反応性ガスの雰囲気とされていた場合には、これを不活性ガスの雰囲気とすることが望ましい。また、チャンバー６内を装置外部と同じ大気雰囲気に置換するようにしても良い。
本実施形態においては、半導体ウェハーＷの表面に形成された薄膜をフラッシュランプＦＬからフラッシュ光を照射することによって加熱している。発光時間が極めて短く強度の強いフラッシュ光であれば、薄膜の表面温度を瞬間的に温調温度Ｔ１から処理温度Ｔ２にまで上昇させて急速に再び温調温度Ｔ１にまで下降させることができる。このため、膜中に長時間焼成に起因した異常結晶成長が生じるのを防止することができる。その結果、薄膜と下地の半導体ウェハーＷとの境界や膜中の粒界に凹凸が生じるのを防止することができ、高い平坦度を得ることができる。
また、保持プレート７による温調温度Ｔ１および温調時間とフラッシュ光照射による処理温度Ｔ２とを制御することによって、焼成された薄膜中における結晶粒径を適切な範囲に調整することができる。
また、薄膜の膜種がシリコン中での拡散係数の高い金属膜である場合、薄膜の表面温度を短時間のうちに温調温度Ｔ１から処理温度Ｔ２にまで上昇させて再び温調温度Ｔ１にまで下降させることにより、その金属元素の半導体ウェハーＷ中における異常拡散を防止することができる。
ところで、上記のような薄膜の焼成処理を行うことによって、チャンバー６内壁に種々の汚染物質が付着することがある。例えば、焼成される薄膜から発生した昇華物が付着したり、反応性ガスがチャンバー６内壁面の金属と反応して汚染物質となることがある。このような汚染物質がチャンバー６内に付着したときには、その汚染物質と反応するクリーニングガスをクリーニングガス供給部８７からチャンバー６内に供給する。これにより、汚染物質がクリーニングガスと反応して分解し、チャンバー６内から当該汚染物質を除去することができる。このようにすれば、汚染物質が半導体ウェハーＷに付着して汚染するのを防止することができる。なお、クリーニングガス供給部８７からクリーニングガスを供給するとともに、フラッシュランプＦＬからチャンバー６内にフラッシュ光を照射することによって汚染物質の分解を促進するようにしても良い。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の熱処理装置の構成は第１実施形態と同じである（図１参照）。また、半導体ウェハーＷの処理手順についても概ね第１実施形態と同様である（図４参照）。第２実施形態では、特に、ＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)などによって半導体ウェハーＷの表面に堆積したハフニウム（Ｈｆ）などのhigh-k材料（高誘電率材料）にフラッシュ加熱処理を行う。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の熱処理装置の構成は第１実施形態と同じである（図１参照）。また、半導体ウェハーＷの処理手順についても概ね第１実施形態と同様である（図４参照）。第２実施形態では、特に、ＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)などによって半導体ウェハーＷの表面に堆積したハフニウム（Ｈｆ）などのhigh-k材料（高誘電率材料）にフラッシュ加熱処理を行う。
ＡＬＤによって１原子層相当レベルの膜厚のhigh-k材料が成膜された半導体ウェハーＷが熱処理装置１のチャンバー６内に搬入される。そして、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射して加熱することによって、成膜されたhigh-k材料に結晶性を付与する。このようなＡＬＤによる成膜と熱処理装置１でのフラッシュ加熱とを繰り返して半導体ウェハーＷの表面にhigh-k材料の薄膜を形成する。
このようなプロセスにおいて、フラッシュ加熱処理を行うときの熱処理空間６５の雰囲気によってhigh-k材料の電気特性（静電容量）が異なる。このため、high-k材料に所望の電気特性を付与すべく、フラッシュ加熱処理を行うときの熱処理空間６５の窒素濃度および酸素濃度をコントロールしている。
より詳細には、high-k材料の膜厚が比較的薄いときには、窒素にヘリウムまたはアルゴンを混合した混合ガス中にてフラッシュ加熱処理を行う。具体的には、反応性ガス供給部８４がバルブ８６を開放してチャンバー６内に窒素を反応性ガスとして供給するとともに、不活性ガス供給部８１がバルブ８３を開放してチャンバー６内にヘリウムまたはアルゴンを不活性ガスとして供給する。バルブ８３およびバルブ８６の双方が開放されることによって、チャンバー６内の熱処理空間６５には反応性ガスとしての窒素に不活性ガスとしてのヘリウムまたはアルゴンを混合した混合ガスが供給されることとなる。
チャンバー６内の熱処理空間６５における混合ガス中の窒素濃度は濃度センサ１８０によって測定されている。濃度センサ１８０の測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、濃度センサ１８０の測定結果に基づいて、熱処理空間６５における混合ガス中の窒素濃度が予め設定された所定値となるように反応性ガスの濃度調整を行う。具体的には、濃度センサ１８０による窒素濃度の測定結果が所定値より低い場合には、制御部３が流量調整バルブ１８６を制御して窒素の流量を増加する。逆に、濃度センサ１８０による窒素濃度の測定結果が所定値より高い場合には、制御部３が流量調整バルブ１８６を制御して窒素の流量を減少する。このようにして、濃度センサ１８０による窒素濃度の測定結果が所定値に近づくように、制御部３が流量調整バルブ１８６を制御して反応性ガスとしての窒素の流量を調整する。
反応性ガスとしての窒素の流量を調整するのに代えて、不活性ガスとしてのヘリウムまたはアルゴンの流量を調整することによって、熱処理空間６５における混合ガス中の窒素濃度を調整するようにしても良い。また、反応性ガスおよび不活性ガスの双方の流量を調整することによって、混合ガス中の窒素濃度を調整するようにしても良い。
このようにして窒素濃度を調整し、熱処理空間６５における混合ガス中の窒素濃度が予め設定された所定値となっている状態にて、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光が照射されてhigh-k材料のフラッシュ加熱が行われる。所定濃度の窒素／ヘリウムまたはアルゴンの雰囲気中にてフラッシュ加熱処理が行われることによって、半導体ウェハーＷの表面上のhigh-k材料に結晶性が付与される。
次に、high-k材料の膜厚が比較的厚くなってきたときには、酸素に窒素を混合した混合ガス中にてフラッシュ加熱処理を行う。具体的には、反応性ガス供給部８４がバルブ８６を開放してチャンバー６内に酸素を反応性ガスとして供給するとともに、不活性ガス供給部８１がバルブ８３を開放してチャンバー６内に窒素を不活性ガスとして供給する。バルブ８３およびバルブ８６の双方が開放されることによって、チャンバー６内の熱処理空間６５には反応性ガスとしての酸素に不活性ガスとしての窒素を混合した混合ガスが供給されることとなる。なお、反応性ガスとしては酸素に代えてオゾンを供給するようにしても良いし、不活性ガスとしては窒素に代えてヘリウムまたはアルゴンを供給するようにしても良い。
チャンバー６内の熱処理空間６５における混合ガス中の酸素濃度は濃度センサ１８０によって測定されて制御部３に伝達される。制御部３は、濃度センサ１８０の測定結果に基づいて、熱処理空間６５における混合ガス中の酸素濃度が予め設定された所定値となるように反応性ガスの濃度調整を行う。具体的には、濃度センサ１８０による酸素濃度の測定結果が所定値より低い場合には、制御部３が流量調整バルブ１８６を制御して酸素の流量を増加する。逆に、濃度センサ１８０による酸素濃度の測定結果が所定値より高い場合には、制御部３が流量調整バルブ１８６を制御して酸素の流量を減少する。このようにして、濃度センサ１８０による酸素濃度の測定結果が所定値に近づくように、制御部３が流量調整バルブ１８６を制御して反応性ガスとしての酸素の流量を調整する。なお、上記と同様に、不活性ガスの流量を調整することによって、熱処理空間６５における混合ガス中の酸素濃度を調整するようにしても良い。また、反応性ガスおよび不活性ガスの双方の流量を調整することによって、混合ガス中の酸素濃度を調整するようにしても良い。
このようにして酸素濃度を調整し、熱処理空間６５における混合ガス中の酸素濃度が予め設定された所定値となっている状態にて、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光が照射されてhigh-k材料のフラッシュ加熱が行われる。所定濃度の酸素／窒素の雰囲気中にてフラッシュ加熱処理が行われることによって、半導体ウェハーＷの表面上のhigh-k材料に結晶性が付与されるとともに、high-k材料が酸化される。そして、窒素濃度および酸素濃度が所定値に管理された雰囲気中にてhigh-k材料のフラッシュ加熱処理が行われることにより、high-k材料に所望の電気特性を付与することができる。
また、ハフニウムなどのhigh-k材料の周囲に存在する膜の欠陥制御を行うときには、水素雰囲気中にて半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射する。詳細には、水素に窒素を混合した混合ガス中にてフラッシュ加熱処理を行う。この場合には、反応性ガス供給部８４がバルブ８６を開放してチャンバー６内に水素を反応性ガスとして供給するとともに、不活性ガス供給部８１がバルブ８３を開放してチャンバー６内に窒素を不活性ガスとして供給する。バルブ８３およびバルブ８６の双方が開放されることによって、チャンバー６内の熱処理空間６５には反応性ガスとしての水素に不活性ガスとしての窒素を混合した混合ガスが供給されることとなる。
チャンバー６内の熱処理空間６５における混合ガス中の水素濃度は濃度センサ１８０によって測定されて制御部３に伝達される。制御部３は、濃度センサ１８０の測定結果に基づいて、熱処理空間６５における混合ガス中の水素濃度が予め設定された所定値となるように反応性ガスの濃度調整を行う。具体的には、濃度センサ１８０による水素濃度の測定結果が所定値より低い場合には、制御部３が流量調整バルブ１８６を制御して水素の流量を増加する。逆に、濃度センサ１８０による水素濃度の測定結果が所定値より高い場合には、制御部３が流量調整バルブ１８６を制御して水素の流量を減少する。このようにして、濃度センサ１８０による水素濃度の測定結果が所定値に近づくように、制御部３が流量調整バルブ１８６を制御して反応性ガスとしての水素の流量を調整する。第２実施形態においては、混合ガス中の水素濃度が３％〜１０％となるように濃度調整が行われる。なお、上記と同様に、不活性ガスの流量を調整することによって、熱処理空間６５における混合ガス中の水素濃度を調整するようにしても良い。また、反応性ガスおよび不活性ガスの双方の流量を調整することによって、混合ガス中の水素濃度を調整するようにしても良い。
このようにして水素濃度を調整し、熱処理空間６５における混合ガス中の水素濃度が予め設定された所定値となっている状態にて、フラッシュランプＦＬから半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光が照射されてフラッシュ加熱処理が行われる。所定濃度の水素／窒素の雰囲気中にてフラッシュ加熱処理が行われることによって、high-k材料の周囲に存在する膜に対する欠陥制御が行われる。
＜変形例＞
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、上記各実施形態においては、保持プレート７に加熱手段たるヒータ７１および冷却手段たる水冷管７２の双方を設けるようにしていたが、ヒータ７１または水冷管７２のいずれか一方のみを温調手段として保持プレート７に設けるようにしても良い。もっとも、ヒータ７１および水冷管７２の双方を設けた方が、室温近傍から２００℃以下までの範囲に渡って適切な半導体ウェハーＷの温調が可能となる。
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、上記各実施形態においては、保持プレート７に加熱手段たるヒータ７１および冷却手段たる水冷管７２の双方を設けるようにしていたが、ヒータ７１または水冷管７２のいずれか一方のみを温調手段として保持プレート７に設けるようにしても良い。もっとも、ヒータ７１および水冷管７２の双方を設けた方が、室温近傍から２００℃以下までの範囲に渡って適切な半導体ウェハーＷの温調が可能となる。
また、上記実施形態においては、加熱手段たるヒータ７１を抵抗発熱体にて構成していたが、これ代えてハロゲンランプなどによる光照射加熱、誘導加熱、高温ガスの吹き付けなどによって半導体ウェハーＷを温調するようにしても良い。
また、保持プレート７を水平面内にて回転させる回転機構を設け、処理中に保持プレート７を回転させるようにしても良い。これにより、保持プレート７から流下される処理ガス流をより均一に半導体ウェハーＷの表面に吹き付けることができる。
また、複数の吐出孔６９を穿設した吹き出しプレート６８に代えて、またはこれに付加して、保持プレート７に保持される半導体ウェハーＷの近傍に処理ガス供給のためのノズルを設けるようにしても良い。
また、流量調整バルブ１８３，１８６，１８９に代えて、マスフローコントローラなどの気体の流量を制御できる他の機構を用いるようにしても良い。
また、第１実施形態において、ガス供給部８から供給する処理ガスの種類を処理の途中で変更するようにしても良い。例えば、金属系の膜を半導体ウェハーＷの表面に形成している場合において、最初は不活性ガス供給部８１からチャンバー６内に不活性ガスを供給し、不活性ガス雰囲気中にてフラッシュ光照射を行って金属膜と下地のシリコンとを反応させる。次に、反応性ガス供給部８４から当該金属膜と反応する反応性ガスをチャンバー６内に供給してガス種を変更する。この反応性ガスは、薄膜上面の未反応の金属と反応してエッチング処理が進行する。その後、再び不活性ガス供給部８１から不活性ガスを供給してチャンバー６内を不活性ガス雰囲気に置換し、フラッシュ光照射によって残留薄膜の加熱処理を行うようにしても良い。
また、上記実施形態においては、フラッシュ照射部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、本発明に係る熱処理技術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。例えば、耐熱性に乏しいガラス基板や樹脂フィルム上に多結晶または非晶質のシリコンやゲルマニウム（Ｇｅ）の薄膜を形成し、その薄膜にボロン（Ｂ）やヒ素（Ａｓ）などの不純物を注入し、上記の熱処理装置１によって薄膜の加熱処理を行うようにしても良い。本発明に係る熱処理技術によれば、耐熱性に乏しい下地のガラス基板や樹脂フィルムはほとんど昇温しないため、適切な膜の加熱処理を行うことができる。
また、第２実施形態においては、high-k材料にフラッシュ加熱処理を行っていたが、第２実施形態の如き雰囲気制御を行いつつフラッシュ加熱処理を行う対象はこれに限定されるものではない。例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜に対して同様の手法によって雰囲気制御を行いつつフラッシュ加熱処理を行っても良い。また、第２実施形態において、欠陥制御のために水素雰囲気中にてフラッシュ加熱処理を行う対象はハフニウムのhigh-k材料の周囲に存在する膜に限定されるものではなく、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）などのhigh-k材料の周囲に存在する膜であっても良い。
１ 熱処理装置
３ 制御部
５ フラッシュ照射部
６ チャンバー
７ 保持プレート
８ ガス供給部
９ 排気部
６５ 熱処理空間
６８ 吹き出しプレート
６９ 吐出孔
７１ ヒータ
７２ 水冷管
７３ 温度センサ
８１ 不活性ガス供給部
８３，８６，８９ バルブ
８４ 反応性ガス供給部
８７ クリーニングガス供給部
９３ 排気口
１８０ 濃度センサ
１８３，１８６，１８９ 流量調整バルブ
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー
３ 制御部
５ フラッシュ照射部
６ チャンバー
７ 保持プレート
８ ガス供給部
９ 排気部
６５ 熱処理空間
６８ 吹き出しプレート
６９ 吐出孔
７１ ヒータ
７２ 水冷管
７３ 温度センサ
８１ 不活性ガス供給部
８３，８６，８９ バルブ
８４ 反応性ガス供給部
８７ クリーニングガス供給部
９３ 排気口
１８０ 濃度センサ
１８３，１８６，１８９ 流量調整バルブ
ＦＬ フラッシュランプ
Ｗ 半導体ウェハー
Claims (6)
- 基板の表面に形成されたhigh-k膜の加熱処理を行う熱処理方法であって、
high-k膜が表面に形成された基板をチャンバー内に収容して保持手段に保持する収容工程と、
前記チャンバーから排気を行う排気工程と、
前記チャンバー内に処理ガスを供給するガス供給工程と、
前記保持手段に保持された前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ照射工程と、
を備えることを特徴とする熱処理方法。 - 請求項１記載の熱処理方法において、
前記排気工程および前記ガス供給工程によって前記チャンバー内の窒素濃度をコントロールしつつ前記基板にフラッシュ光を照射することを特徴とする熱処理方法。 - 請求項２記載の熱処理方法において、
前記排気工程および前記ガス供給工程によって前記チャンバー内の酸素濃度をコントロールしつつ前記基板にフラッシュ光を照射することを特徴とする熱処理方法。 - 請求項３記載の熱処理方法において、
前記ガス供給工程では、前記high-k膜が所定値よりも薄いときには窒素にヘリウムまたはアルゴンを混合した混合ガスを前記チャンバー内に供給し、前記high-k膜が所定値よりも厚いときには酸素に窒素を混合した混合ガスを前記チャンバー内に供給することを特徴とする熱処理方法。 - 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、
前記基板にフラッシュ光を照射することによって前記high-k膜に結晶性を付与することを特徴とする熱処理方法。 - 請求項１記載の熱処理方法において、
前記ガス供給工程では、水素に窒素を混合した混合ガスを前記チャンバー内に供給することを特徴とする熱処理方法。
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