JP2020077893A - 熱処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高誘電率膜の下地のシリコン酸化膜の膜厚増大を抑制することができる熱処理方法を提供する。【解決手段】シリコンの半導体ウェハーの表面には界面層膜としてのシリコン酸化膜を挟み込んで高誘電率膜が成膜される。その半導体ウェハーがチャンバー内に収容された後、チャンバー内が大気圧よりも低い気圧Ｐ１にまで減圧される。その後、チャンバー内にアンモニアと窒素ガスとの混合ガスを供給して常圧Ｐｓにまで復圧し、半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射して高誘電率膜の成膜後熱処理を実行する。チャンバー内を一旦大気圧よりも低い気圧Ｐ１に減圧してから復圧しているため、成膜後熱処理を実行するときのチャンバー内の酸素濃度を顕著に低くすることができ、成膜後熱処理中に酸素を取り込んで高誘電率膜の下地のシリコン酸化膜の膜厚が増大するのを抑制することができる。【選択図】図１０

Description

本発明は、高誘電率膜または高誘電率膜上にメタルゲートを形成した半導体ウェハー等の薄板状精密電子基板（以下、単に「基板」と称する）にフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法に関する。
半導体デバイスの製造プロセスにおいて、極めて短時間で半導体ウェハーを加熱するフラッシュランプアニール（ＦＬＡ）が注目されている。フラッシュランプアニールは、キセノンフラッシュランプ（以下、単に「フラッシュランプ」とするときにはキセノンフラッシュランプを意味する）を使用して半導体ウェハーの表面にフラッシュ光を照射することにより、半導体ウェハーの表面のみを極めて短時間（数ミリ秒以下）に昇温させる熱処理技術である。
キセノンフラッシュランプの放射分光分布は紫外域から近赤外域であり、従来のハロゲンランプよりも波長が短く、シリコンの半導体ウェハーの基礎吸収帯とほぼ一致している。よって、キセノンフラッシュランプから半導体ウェハーにフラッシュ光を照射したときには、透過光が少なく半導体ウェハーを急速に昇温することが可能である。また、数ミリ秒以下の極めて短時間のフラッシュ光照射であれば、半導体ウェハーの表面近傍のみを選択的に昇温できることも判明している。
このようなフラッシュランプアニールは、極短時間の加熱が必要とされる処理、例えば典型的には半導体ウェハーに注入された不純物の活性化に利用される。イオン注入法によって不純物が注入された半導体ウェハーの表面にフラッシュランプからフラッシュ光を照射すれば、当該半導体ウェハーの表面を極短時間だけ活性化温度にまで昇温することができ、不純物を深く拡散させることなく、不純物活性化のみを実行することができるのである。
また、近年開発されている電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート絶縁膜として、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）よりも誘電率の高い材料（高誘電率材料）を用いた高誘電率膜（High-k膜）の適用が検討されている。高誘電率膜は、ゲート絶縁膜の薄膜化の進展にともなってリーク電流が増大する問題を解決するために、ゲート電極に金属を用いたメタルゲート電極とともに新たなスタック構造として開発が進められているものである。このような高誘電率膜を含む新たなスタック構造を形成した半導体ウェハーの熱処理にフラッシュランプアニールを適用することも検討されている。
高誘電率膜はＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)などの手法によってシリコンの基材上に高誘電率材料を堆積させて形成される。高誘電率膜は、従来のシリコン酸化膜と比較して高い誘電率を有するものの、堆積直後の高誘電率膜は結晶性が低く、点欠陥等の欠陥も多く含んでいる。このため、堆積された高誘電率膜を高温でアニールする必要があり、高誘電率膜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短時間の加熱処理を行うことが例えば特許文献１に提案されている。
特開２０１３−７３９４６号公報
しかしながら、特許文献１に開示されているように、高誘電率膜を形成した半導体ウェハーに単にフラッシュ光を照射して極短時間のフラッシュ加熱処理を行っただけでは、高誘電率膜の下地に形成されたシリコン酸化膜の膜厚が増大して高い誘電率が得られなくなるという問題が生じることが判明した。シリコン酸化膜の膜厚増大は酸素が存在している状態で加熱処理を行うことに起因するものである。膜厚増大の原因となる酸素には、主としてチャンバー内の残留酸素、半導体ウェハーの表面に吸着している酸素（典型的には水分として吸着している）、高誘電率膜自体に固溶している酸素がある。特に、フラッシュ加熱処理時にチャンバー内に残留している酸素はシリコン酸化膜の膜厚増大の大きな要因となる。一般に、フラッシュランプアニール装置では、常圧にてチャンバー内に半導体ウェハーを搬入出するため、このときに流入した大気中の酸素がチャンバー内に残留して酸素濃度が高くなるのである。
また、高誘電率膜上にメタルゲートを堆積した半導体ウェハーにフラッシュ加熱処理を行った場合には、メタルゲートおよび高誘電率膜を通して酸素が拡散して下地のシリコン酸化膜の膜厚が増大するだけでなく、メタルゲート自体が酸化されるという問題も生じる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高誘電率膜の下地のシリコン酸化膜の膜厚増大を抑制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、高誘電率膜を形成した基板にフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法において、高誘電率膜を形成した基板をチャンバー内に搬入する搬入工程と、前記チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧する減圧工程と、前記チャンバー内に酸素系の反応性ガスを供給して前記チャンバー内を第１の圧力から第１の圧力よりも高い第２の圧力に復圧する復圧工程と、前記チャンバー内を第２の圧力に維持しつつ、前記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、前記酸素系の反応性ガスは、オゾンであ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、第２の圧力は、第１の圧力よりも高く大気圧よりも低いことを特徴とする。
また、請求項４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、第２の圧力は大気圧であることを特徴とする。
また、請求項５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、第２の圧力は大気圧よりも高いことを特徴とする。
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、前記フラッシュ光の照射時間は、０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下であることを特徴とする。
また、請求項７の発明は、高誘電率膜を形成した基板にフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法において、高誘電率膜を形成した基板をチャンバー内に搬入する搬入工程と、前記チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧する減圧工程と、前記チャンバー内を第１の圧力から第１の圧力よりも高い第２の圧力に復圧して前記チャンバー内の酸素濃度を２００ｐｐｂ以下とする復圧工程と、前記チャンバー内を第２の圧力かつ酸素濃度２００ｐｐｂ以下に維持しつつ、前記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照射工程と、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方法において、前記復圧工程では、前記チャンバー内にアンモニアを含む反応性ガスを導入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方法において、第２の圧力は、第１の圧力よりも高く大気圧よりも低いことを特徴とする。
また、請求項１０の発明は、請求項７または請求項８の発明に係る熱処理方法において、第２の圧力は大気圧であることを特徴とする。
また、請求項１１の発明は、請求項７または請求項８の発明に係る熱処理方法において、第２の圧力は大気圧よりも高いことを特徴とする。
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方法において、前記フラッシュ光の照射時間は、０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下であることを特徴とする。
また、請求項１３の発明は、高誘電率膜を形成した基板にフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法において、基材上に界面層膜を挟みこんで高誘電率膜を形成し、前記高誘電率膜上にさらにメタルゲートを形成した基板をチャンバー内に搬入する搬入工程と、前記チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧する減圧工程と、前記チャンバー内を第１の圧力から第１の圧力よりも高い第２の圧力に復圧する復圧工程と、前記チャンバー内を第２の圧力に維持しつつ、前記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照射工程と、を備えることを特徴とする。
また、請求項１４の発明は、請求項１３の発明に係る熱処理方法において、前記界面層膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする。
また、請求項１５の発明は、請求項１３または請求項１４の発明に係る熱処理方法において、前記メタルゲートは、チタンナイトライド、チタンアルミ、または、タングステンにて形成されることを特徴とする。
また、請求項１６の発明は、請求項１３から請求項１５のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記復圧工程では、前記チャンバー内にアンモニアを含む反応性ガスを導入することを特徴とする。
また、請求項１７の発明は、請求項１３から請求項１６のいずれかの発明に係る熱処理方法において、第２の圧力は、第１の圧力よりも高く大気圧よりも低いことを特徴とする。
また、請求項１８の発明は、請求項１３から請求項１６のいずれかの発明に係る熱処理方法において、第２の圧力は大気圧であることを特徴とする。
また、請求項１９の発明は、請求項１３から請求項１６のいずれかの発明に係る熱処理方法において、第２の圧力は大気圧よりも高いことを特徴とする。
また、請求項２０の発明は、請求項１３から請求項１９のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記フラッシュ光の照射時間は、０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下であ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、チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧してから、それよりも高い第２の圧力に復圧しているため、フラッシュ光を照射するときのチャンバー内の酸素濃度を低減することができ、高誘電率膜の下地のシリコン酸化膜の膜厚増大を抑制することができる。
請求項７から請求項１２の発明によれば、チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧してから、それよりも高い第２の圧力に復圧しているため、フラッシュ光を照射するときのチャンバー内の酸素濃度を２００ｐｐｂ如何に低減することができ、高誘電率膜の下地のシリコン酸化膜の膜厚増大を抑制することができる。
請求項１３から請求項２０の発明によれば、チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧してから、それよりも高い第２の圧力に復圧しているため、フラッシュ光を照射するときのチャンバー内の酸素濃度を低減することができ、高誘電率膜の下地のシリコン酸化膜の膜厚増大を抑制することができる。
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。 排気部の構成を示す図である。 半導体ウェハーに高誘電率膜が成膜されたスタック構造を示す図である。 第１実施形態におけるチャンバー内の圧力変化を示す図である。 第２実施形態におけるチャンバー内の圧力変化を示す図である。 第３実施形態におけるチャンバー内の圧力変化を示す図である。
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。
＜第１実施形態＞
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。処理対象となる半導体ウェハーＷのサイズは特に限定されるものではないが、例えばφ３００ｍｍやφ４５０ｍｍである。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高誘電率膜の成膜後熱処理(PDA:Post Deposition Annealing)が実行される。なお、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、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、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。また、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。さらに、熱処理装置１は、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。上側チャンバー窓６３および下側チャンバー窓６４の厚さは例えば約２８ｍｍである。
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に処理ガス（本実施形態では窒素ガス（Ｎ２）およびアンモニア（ＮＨ３））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はガス供給源８５に接続されている。ガス供給源８５は、制御部３の制御下にて、窒素ガス、または、アンモニアと窒素ガスとの混合ガスを処理ガスとしてガス供給管８３に送給する。また、ガス供給管８３の経路途中にはバルブ８４および流量調整バルブ９０が介挿されている。バルブ８４が開放されると、ガス供給源８５から緩衝空間８２に処理ガスが送給される。ガス供給管８３を流れて緩衝空間８２に送給される処理ガスの流量は流量調整バルブ９０によって調整される。流量調整バルブ９０が規定する処理ガスの流量は制御部３の制御によって可変とされる。緩衝空間８２に流入した処理ガスは、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。なお、処理ガスは窒素ガス、アンモニアに限定されるものではなく、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガス、または、酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）、塩素（Ｃｌ２）、塩化水素（ＨＣｌ）、オゾン（Ｏ３）、一酸化窒素（ＮＯ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ２）などの反応性ガスであっても良い。
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。
図８は、排気部１９０の構成を示す図である。排気部１９０は、排気ポンプ１９１、流量調整バルブ１９６、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９、および、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４を備える。チャンバー６からの排気を導くガス排気管８８と排気ポンプ１９１とは、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９によって接続されている。３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９は並列に設けられている。３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９は、その配管径が互いに異なる。バイパスライン１９７の径が最も小さく、バイパスライン１９９の径が最も大きく、バイパスライン１９８の径はそれらの間である。よって、通過可能な気体の流量はバイパスライン１９７，１９８，１９９の順に大きくなる。
３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４は、それぞれ３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９に設けられる。すなわち、バイパスライン１９７には排気バルブ１９２が介挿され、バイパスライン１９８には排気バルブ１９３が介挿され、バイパスライン１９９には排気バルブ１９４が介挿される。排気ポンプ１９１を作動させつつ、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４を開放すると、ガス排気管８８によって導かれたチャンバー６からの排気が対応するバイパスライン１９７，１９８，１９９を通過して排気ポンプ１９１に吸引される。
３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９は配管径が異なるため、排気能力が異なる。配管径が大きいほど排気能力も大きくなり、バイパスライン１９７，１９８，１９９の順に排気能力は大きくなる。従って、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４のうちのいずれを開閉するかによってチャンバー６からの排気流量を制御することができる。３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４のいずれか１つのみを開放しても良いし、２つまたは３つを開放しても良い。例えば、排気バルブ１９３，１９４を閉止して排気バルブ１９２のみを開放した場合には、最も小さな排気流量での排気が行われる。また、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４の全てを開放した場合には、最も大きな排気流量での排気が行われる。
また、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９の合流部分と排気ポンプ１９１との間に流量調整バルブ１９６が介挿されている。ガス排気管８８の排気流量は流量調整バルブ１９６によっても調整可能である。流量調整バルブ１９６が規定する排気流量は制御部３の制御によって可変とされる。３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９が不連続かつ多段に排気流量を調整する機構であるのに対して、流量調整バルブ１９６は連続的に無段階で排気流量を調整する機構である。
ガス供給管８３、ガス排気管８８、および、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９は強度と耐食性に優れたステンレススチールによって構成されている。また、チャンバー６内には熱処理空間６５の圧力を測定する圧力計１８０が設けられている。圧力計１８０としては、約５Ｐａ〜０．２ＭＰａを測定範囲とするものが好ましい。
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。
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。
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、ハロゲンランプＨＬの如き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。すなわち、フラッシュランプＦＬは、１秒未満の極めて短い時間で瞬間的に発光するパルス発光ランプである。なお、フラッシュランプＦＬの発光時間は、フラッシュランプＦＬに電力供給を行うランプ電源のコイル定数によって調整することができる。
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熱処理空間６５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は、筐体４１の内側に複数本（本実施形態では４０本）のハロゲンランプＨＬを内蔵している。ハロゲン加熱部４は、複数のハロゲンランプＨＬによってチャンバー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への光照射を行って半導体ウェハーＷを加熱する光照射部である。
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。４０本のハロゲンランプＨＬは上下２段に分けて配置されている。保持部７に近い上段に２０本のハロゲンランプＨＬが配設されるとともに、上段よりも保持部７から遠い下段にも２０本のハロゲンランプ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、上段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向と下段に配置された２０本のハロゲンランプＨＬの長手方向とが互いに直交するように計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。すなわち、ハロゲンランプＨＬは少なくとも１秒以上連続して発光する連続点灯ランプである。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、ハロゲン加熱部４の筐体４１内にも、２段のハロゲンランプＨＬの下側にリフレクタ４３が設けられている（図１）。リフレクタ４３は、複数のハロゲンランプＨＬから出射された光を熱処理空間６５の側に反射する。
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回路である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いる。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、制御部３は、バルブ８４、バルブ８９、流量調整バルブ９０、流量調整バルブ１９６、排気ポンプ１９１、および、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４を制御してチャンバー６内の熱処理空間６５の圧力、給気流量および排気レートを調整する。
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、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。ここで処理対象となる半導体ウェハーＷは、ゲート絶縁膜として高誘電率膜が形成された半導体基板である。その半導体ウェハーＷに対して熱処理装置１がアンモニア雰囲気中にてフラッシュ光を照射して成膜後熱処理（ＰＤＡ）を行うことにより、高誘電率膜中の欠陥を消滅させるとともに窒化処理を行う。
図９は、半導体ウェハーＷに高誘電率膜が成膜されたスタック構造を示す図である。半導体ウェハーＷのシリコンの基材１０１上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）１０２が形成されている。シリコン酸化膜１０２はシリコンの基材１０１と高誘電率膜１０３との間の界面層膜として必要な層である。シリコン酸化膜１０２の膜厚は極めて薄く、例えば約１ｎｍである。シリコン酸化膜１０２の形成手法としては、例えば熱酸化法などの公知の種々の方法を採用することが可能である。
そして、シリコン酸化膜１０２の上にゲート絶縁膜としての高誘電率膜１０３が形成されている。高誘電率膜１０３としては、例えばＨｆＯ２，ＺｒＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｌａ２Ｏ３等の高誘電率材料を用いることができる（本実施形態では、ＨｆＯ２）。高誘電率膜１０３は、例えばＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)によって高誘電率材料をシリコン酸化膜１０２の上に堆積させることにより成膜される。シリコン酸化膜１０２上に堆積される高誘電率膜１０３の膜厚は数ｎｍであるが、そのシリコン酸化膜換算膜厚（EOT:Equivalent oxide thickness）は１ｎｍ程度である。高誘電率膜１０３の形成手法はＡＬＤに限定されるものではなく、例えばＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等の公知の手法を採用することができる。いずれの手法であっても、堆積されたまま特段の処理を受けていない高誘電率膜１０３中には多数の点欠陥等の欠陥が存在している。なお、図９に示す構造では、高誘電率膜１０３の両側方にＳｉＮのサイドウォール１０４が形成されているが、このサイドウォール１０４は、例えばゲートラストプロセスでは高誘電率膜１０３よりも先に形成されている。また、熱処理装置１による加熱処理の終了後に、高誘電率膜１０３の上にチタン（Ｔｉ）或いはチタンの窒化物（ＴｉＮ）がメタルゲートして堆積される。
図９に示すようなシリコンの基材１０１上にシリコン酸化膜１０２を挟み込んで高誘電率膜１０３が成膜された半導体ウェハーＷに対する熱処理が熱処理装置１によって行われる。以下、熱処理装置１における動作手順について説明する。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。
まず、界面層膜であるシリコン酸化膜１０２の上に高誘電率膜１０３が形成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に搬入される。半導体ウェハーＷの搬入時には、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１０３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の内外はともに大気圧であるため、半導体ウェハーＷの搬入にともなってチャンバー６内の熱処理空間６５に空気が巻き込まれる。そこで、バルブ８４を開放してガス供給源８５からチャンバー６内に窒素ガスを供給し続けることによって搬送開口部６６から窒素ガス流を流出させ、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ようにしても良い。また、ゲートバルブ１８５の開放時には、半導体ウェハーＷの熱処理時よりも窒素ガスの供給流量を増大させるのが好ましい（例えば、熱処理時に通常３０リットル／分であれば、ゲートバルブ１８５の開放時には１２０リットル／分とする）。さらに、窒素ガスの供給流量を増大させるとともに、バルブ８９を閉止してチャンバー６からの排気を停止するのが好ましい。これにより、チャンバー６内に供給された窒素ガスは搬送開口部６６のみから流出することとなるため、外部空気の流入をより効果的に防ぐことができる。
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、高誘電率膜１０３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がチャンバー６に収容され、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖された後、チャンバー６内を大気圧よりも低い気圧に減圧する。具体的には、搬送開口部６６が閉鎖されることによって、チャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間となる。この状態にて、給気のためのバルブ８４を閉止しつつ、排気のためのバルブ８９を開放する。また、制御部３は、排気ポンプ１９１を作動させつつ、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９のうち最も配管径が小さいバイパスライン１９７に設けられた排気バルブ１９２を開放する。他の排気バルブ１９３，１９４は閉止されている。これにより、チャンバー６内に対してはガス供給が行われることなく排気が行われることとなり、チャンバー６内の熱処理空間６５が減圧される。
図１０は、第１実施形態におけるチャンバー６内の圧力変化を示す図である。同図の横軸には時刻を示し、縦軸にはチャンバー６内の圧力を示す。半導体ウェハーＷがチャンバー６に収容されて搬送開口部６６が閉鎖された時点では、チャンバー６内の圧力は常圧Ｐｓ（＝大気圧＝約101325Pa）である。そして、時刻ｔ１にチャンバー６内の減圧が開始される。減圧の初期段階では、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９のうち最も配管径が小さいバイパスライン１９７のみを使用しているため、排気流量が小さく排気速度も比較的遅い。
次に、時刻ｔ２に制御部３が３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４の全てを開放する。これにより、チャンバー６からの排気流量が増大し、排気速度も速くなる。そして、時刻ｔ３にチャンバー６の圧力（真空度）が気圧Ｐ１に到達する。気圧Ｐ１は、例えば約１００Ｐａである。すなわち、減圧の初期段階では小さな排気流量で排気を行った後に、それよりも大きな排気流量に切り換えて排気を行っているのである。なお、第１実施形態では、流量調整バルブ１９６の流量は一定である。
減圧の開始時から大きな排気流量にて急速に排気を行うと、チャンバー６内に大きな気流変化が生じてチャンバー６の構造物（例えば、下側チャンバー窓６４）に付着していたパーティクルが巻き上げられて半導体ウェハーＷに再付着して汚染するおそれがある。減圧の初期段階では小さな排気流量で静かに排気を行った後に、大きな排気流量に切り換えて排気を行うようにすれば、そのようなチャンバー６内のパーティクルの巻き上げを防止することができる。
また、排気部１９０は、アンモニア等の反応性ガスを無害化する除害装置（図示省略）を備えているが、減圧の開始時から大きな排気流量にて排気を行うと、その除害装置に多量のガスが流れ込んで過負荷となるおそれがある。本実施形態のように、減圧の初期段階では小さな排気流量で排気を行った後に、大きな排気流量に切り換えて排気を行うようにすれば、除害装置に過負荷がかかるのを防止することができる。なお、チャンバー６内の圧力がある程度低下した後に大きな排気流量での排気を行ったとしても、排気部１９０に流れ込む気体量は比較的少ない。
チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ１に到達した時刻ｔ３に、排気のためのバルブ８９を閉止して給気のためのバルブ８４を開放し、ガス供給源８５からチャンバー６内の熱処理空間６５にアンモニアと希釈ガスとしての窒素ガスとの混合ガスを供給する。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の周辺にはアンモニア雰囲気が形成される。アンモニア雰囲気中におけるアンモニアの濃度（つまり、アンモニアと窒素ガスとの混合比）は、特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が、例えば１０vol.％以下であれば良い（本実施形態では約２．５vol.％）。なお、チャンバー６にアンモニア・窒素混合ガスを供給している間も、最も配管径が小さいバイパスライン１９７のみを使用したチャンバー６からの排気を行うようにしても良い。この場合、混合ガスの供給流量が排気流量よりも大きいのは勿論である。
チャンバー６内に混合ガスが供給されることによって、チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ１から上昇して時刻ｔ４に常圧Ｐｓに復圧する。第１実施形態においては、チャンバー６内を一旦気圧Ｐ１にまで減圧してから常圧Ｐｓに復圧しているため、常圧Ｐｓに復圧後のチャンバー６内のアンモニア雰囲気中における酸素濃度を約２００ｐｐｂ以下とすることができる。
チャンバー６内の圧力が常圧Ｐｓに復圧した時刻ｔ４以降は、チャンバー６に対するアンモニア・窒素混合ガスの供給流量とチャンバー６からの排気流量とを等しくしてチャンバー６内の圧力を常圧Ｐｓに維持する。
また、チャンバー６内の圧力が常圧Ｐｓに復圧した時刻ｔ４に、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して半導体ウェハーＷの予備加熱（アシスト加熱）が開始される。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１０３が形成された表面とは反対側の主面である。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。
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となるようにハロゲンランプＨＬの出力をフィードバック制御する。予備加熱温度Ｔ１は３００℃以上６００℃以下であり、本実施形態では４５０℃である。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に到達した時点にて制御部３がハロゲンランプＨＬの出力を調整し、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、高誘電率膜１０３を含む半導体ウェハー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。なお、予備加熱時のチャンバー６内の圧力は常圧Ｐｓに維持されている。
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ｔ５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。このとき、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内へと向かい、これらのフラッシュ光の照射により半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われる。
フラッシュ加熱は、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光（閃光）照射により行われるため、半導体ウェハーＷの表面温度を短時間で上昇することができる。すなわち、フラッシュランプＦＬから照射されるフラッシュ光は、予めコンデンサーに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。基材１０１上にシリコン酸化膜１０２を挟み込んで高誘電率膜１０３が成膜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、高誘電率膜１０３を含む半導体ウェハーＷの表面は瞬間的に処理温度Ｔ２にまで昇温して成膜後熱処理が実行される。フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面が到達する最高温度（ピーク温度）である処理温度Ｔ２は６００℃以上１２００℃以下であり、本実施形態では１０００℃である。
アンモニア雰囲気中にて半導体ウェハーＷの表面が処理温度Ｔ２にまで昇温して成膜後熱処理が実行されると、高誘電率膜１０３の窒化が促進されるとともに、高誘電率膜１０３中に存在していた点欠陥等の欠陥が消滅する。なお、フラッシュランプＦＬからの照射時間は０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下程度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から処理温度Ｔ２にまで昇温するのに要する時間も１秒未満の極めて短時間である。フラッシュ光照射後の半導体ウェハーＷの表面温度は処理温度Ｔ２からただちに急速に下降する。
フラッシュ加熱処理の終了後、給気のためのバルブ８４を閉止してチャンバー６内を再び減圧する。このときの減圧のパターンは、上述した時刻ｔ１から時刻ｔ３における減圧のパターンと同じである。すなわち、減圧の初期段階では、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９のうち最も配管径が小さいバイパスライン１９７のみを使用して排気流量を比較的小さくする。その後、３つの排気バルブ１９２，１９３，１９４の全てを開放して排気流量を大きくする。すなわち、減圧の初期段階では小さな排気流量で排気を行った後に、それよりも大きな排気流量に切り換えて排気を行う。このように排気流量を２段階に切り換えて排気を行う理由は上述と同様である。
チャンバー６内を再び気圧Ｐ１にまで減圧することによって、チャンバー６内の熱処理空間６５から有害なアンモニアを排出することができる。続いて、排気のためのバルブ８９を閉止して給気のためのバルブ８４を開放し、ガス供給源８５からチャンバー６内に窒素ガスを供給して常圧Ｐｓにまで復圧する。このときの窒素ガスの供給流量は５０リットル／分以上である。また、ハロゲンランプＨＬも消灯し、これによって半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１からも降温する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は接触式温度計１３０または放射温度計１２０によって測定され、その測定結果は制御部３に伝達される。制御部３は、測定結果より半導体ウェハー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、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。
第１実施形態においては、チャンバー６内を一旦大気圧よりも低い気圧Ｐ１に減圧した後にアンモニア・窒素混合ガスを供給して常圧Ｐｓに復圧しているため、復圧後のチャンバー６内の酸素濃度を約２００ｐｐｂ以下とすることができる。チャンバー６内を減圧することなく、常圧に維持したまま大気からアンモニア・窒素混合ガスへの雰囲気置換を行った場合には、チャンバー６内の酸素濃度を低減できる限界は約２ｐｐｍである。すなわち、本実施形態のように、チャンバー６内を一旦気圧Ｐ１に減圧してから常圧Ｐｓに復圧することによって、減圧を行わない場合に比較してチャンバー６内の酸素濃度を１０分の１程度にまで低減することができるのである。
既述したように、堆積されたまま特段の処理を受けていない高誘電率膜１０３中には多数の点欠陥等の欠陥が存在しているため、成膜後熱処理（ＰＤＡ）によってそのような欠陥を消滅させる必要がある。成膜後熱処理を実行するときに酸素が存在していると、その酸素を取り込んで高誘電率膜１０３の下地のシリコン酸化膜１０２が成長して膜厚が増大し、高い誘電率が得られなくなる。このような膜厚増大の原因として特に問題となるのがチャンバー６内に残留している酸素である。本実施形態のように、常圧にて半導体ウェハーＷをチャンバー６内に搬入した場合には外部からの空気の巻き込みが大きく、それがチャンバー６の残留酸素濃度を高めることとなる。このため、高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を実行するときの雰囲気中の酸素濃度は可能な限り低減するのが好ましく、特に近年の高誘電率ゲート絶縁膜の形成には酸素濃度を１ｐｐｍ以下とすることが求められている。
第１実施形態においては、チャンバー６内を一旦大気圧よりも低い気圧Ｐ１に減圧してから常圧Ｐｓに復圧することにより、高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を実行するときのチャンバー６内の熱処理空間６５の酸素濃度を約２００ｐｐｂ以下にまで低減している。従って、成膜後熱処理中に熱処理空間６５から酸素を取り込んで高誘電率膜１０３の下地のシリコン酸化膜１０２の膜厚が増大するのを抑制することができる。
また、堆積された直後の高誘電率膜１０３中には酸素も含まれており、成膜後熱処理の処理時間が数秒程度以上となると、その酸素が拡散してシリコン酸化膜１０２の膜厚が増大することにもなる。第１実施形態では、半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬから１秒未満の照射時間にてフラッシュ光を照射して極短時間でウェハー表面を処理温度Ｔ２に昇温しているため、成膜後熱処理の処理時間が極めて短く、酸素の拡散する時間的余裕が無いため、高誘電率膜１０３の下地のシリコン酸化膜１０２の膜厚が増大するのを抑制することができる。
また、第１実施形態においては、チャンバー６内を復圧するときにアンモニア・窒素混合ガスを導入し、アンモニア雰囲気中にて半導体ウェハー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成膜後熱処理を行っている。アンモニア雰囲気中で高誘電率膜１０３を処理温度Ｔ２に加熱することによって高誘電率膜１０３の窒化処理が進行し、堆積後に高誘電率膜１０３中に存在していた欠陥が低減され、そのような欠陥に起因したリーク電流を抑制することができる。
また、アンモニア雰囲気中にてフラッシュ加熱処理を実行することにより、下地のシリコン酸化膜１０２も窒化することができる。シリコン酸化膜１０２が窒化されることによって、シリコン酸化膜１０２の酸化による膜厚増大をより効果的に抑制することができる。また、シリコン酸化膜１０２の窒化はシリコン酸化膜１０２の誘電率を若干上昇させる。これにより、シリコン酸化膜１０２の物理膜厚が増大が抑制されるとともに、電気的膜厚は減少されることとなる。なお、フラッシュ光照射時間は１秒未満の極短時間であるため、シリコン酸化膜１０２が窒化されたとしても、チャネル側まで窒素が拡散することは抑制される。
また、上述したように、チャンバー６内を減圧するときに、減圧開始時には小さな排気流量で排気を行った後に、大きな排気流量に切り換えて排気を行うようにしているため、チャンバー６内におけるパーティクルの巻き上げを防止することができるとともに、排気部１９０の除害装置に過負荷がかかるのを防止することもできる。
＜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１の構成は第１実施形態と全く同じである。また、第２実施形態の熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順も第１実施形態と概ね同様である。第２実施形態が第１実施形態と相違するのは、チャンバー６内を一旦減圧した後に復圧するときの圧力である。
図１１は、第２実施形態におけるチャンバー６内の圧力変化を示す図である。図１１においても、図１０と同様に、横軸には時刻を示し、縦軸にはチャンバー６内の圧力を示す。また、図１１に点線で示すのは、第１実施形態におけるチャンバー６内を常圧Ｐｓにまで復圧したときの圧力変化パターンである（図１０のパターン）。
第１実施形態と同様に、高誘電率膜１０３が形成された半導体ウェハーＷがチャンバー６に収容されて搬送開口部６６が閉鎖された時点では、チャンバー６内の圧力は常圧Ｐｓ（＝大気圧＝約101325Pa）である。そして、時刻ｔ１にチャンバー６内の減圧が開始される。第１実施形態と同じく、減圧の初期段階では小さな排気流量で排気を行った後に、時刻ｔ２にそれよりも大きな排気流量に切り換えて排気を行う。これにより、チャンバー６内におけるパーティクルの巻き上げを防止することができるとともに、排気部１９０の除害装置に過負荷がかかるのを防止することもできる。
チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ１に到達した時刻ｔ３に、排気のためのバルブ８９を閉止して給気のためのバルブ８４を開放し、ガス供給源８５からチャンバー６内の熱処理空間６５にアンモニアと希釈ガスとしての窒素ガスとの混合ガスを供給する。ここまでは第１実施形態と同様である。なお、気圧Ｐ１は、例えば約１００Ｐａである。
第２実施形態においては、チャンバー６内の圧力を常圧Ｐｓにまでは復圧せずに、混合ガスを供給することによって時刻ｔ６にチャンバー６内の圧力を気圧Ｐ２にまで復圧している。気圧Ｐ２は、気圧Ｐ１より高く、かつ、常圧Ｐｓよりも低く、例えば約５０００Ｐａである。第２実施形態においても、チャンバー６内を一旦気圧Ｐ１にまで減圧してからそれよりも高い気圧Ｐ２に復圧しているため、復圧後のチャンバー６内の酸素濃度を約２００ｐｐｂ以下とすることができる。
チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ２に復圧した時刻ｔ６以降は、チャンバー６に対するアンモニア・窒素混合ガスの供給流量とチャンバー６からの排気流量とを等しくしてチャンバー６内の圧力を気圧Ｐ２に維持する。そして、チャンバー６内の圧力を気圧Ｐ２に維持しつつ、ハロゲンランプＨＬによる半導体ウェハーＷの予備加熱を行い、さらにその後時刻ｔ７にフラッシュランプ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フラッシュ加熱を行う。予備加熱およびフラッシュ加熱処理の内容は第１実施形態と同じである。アンモニア雰囲気中にてフラッシュ光照射により半導体ウェハーＷの表面が処理温度Ｔ２にまで昇温することにより、高誘電率膜１０３の成膜後熱処理が実行される。
フラッシュ加熱処理の終了後、給気のためのバルブ８４を閉止してチャンバー６内を再び気圧Ｐ１にまで減圧することによって、チャンバー６内の熱処理空間６５から有害なアンモニアを排出する。続いて、排気のためのバルブ８９を閉止して給気のためのバルブ８４を開放し、ガス供給源８５からチャンバー６内に窒素ガスを供給して常圧Ｐｓにまで復圧する。また、ハロゲンランプＨＬも消灯し、これによって半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１からも降温する。その後、所定温度にまで降温した半導体ウェハーＷを熱処理装置１のチャンバー６から搬出する手順は第１実施形態と同様である。
第２実施形態においては、チャンバー６内を一旦大気圧よりも低い気圧Ｐ１に減圧した後にアンモニア・窒素混合ガスを供給して気圧Ｐ２に復圧しているため、第１実施形態と同じく高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を実行するときのチャンバー６内の熱処理空間６５の酸素濃度を約２００ｐｐｂ以下とすることができる。従って、成膜後熱処理中に熱処理空間６５から酸素を取り込んで高誘電率膜１０３の下地のシリコン酸化膜１０２の膜厚が増大するのを抑制することができる。
また、第１実施形態と同様に、半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬから１秒未満の照射時間にてフラッシュ光を照射して極短時間でウェハー表面を処理温度Ｔ２に昇温しているため、成膜後熱処理の処理時間が極めて短く、酸素の拡散する時間的余裕が無いため、高誘電率膜１０３の下地のシリコン酸化膜１０２の膜厚が増大するのを抑制することができる。
また、第２実施形態においては、チャンバー６内の圧力が大気圧よりも低い気圧Ｐ２にて、つまり減圧下にて半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射して高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を行っている。減圧下では気体分子の密度が小さいため、平均自由行程が長くなる。その結果、減圧下にて高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を行えば、アンモニアの平均自由行程が長くなっているために、アンモニアと高誘電率膜１０３との熱処理反応を均一にすることができる。もっとも、減圧下で高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を行うと、第１実施形態のように常圧下で処理を行う場合と比較してアンモニアの分圧自体は顕著に低くなる。このため、第１実施形態のように常圧下で高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を行った方が高誘電率膜１０３の窒化処理をより大きく進行させることができる。
また、減圧下にて高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を行えば、堆積後の高誘電率膜１０３に含まれている不純物（例えば、炭素（Ｃ））の脱理を促進することができる。そのような脱離した不純物元素をチャンバー６から排出することにより、当該不純物が半導体ウェハーＷの表面に再付着して汚染するのを防止することができる。その結果、デバイス性能の劣化および歩留まりの低下を防ぐことができる。
また、チャンバー６内の雰囲気ガスによるハロゲンランプ光およびフラッシュ光の吸光が少なくなるため、予備加熱時およびフラッシュ加熱時の昇温効率を高めることができる。その結果、フラッシュ加熱時の半導体ウェハーＷの表面到達温度を高くすることもできる。
また、減圧下にて半導体ウェハーＷの加熱処理を行うことにより、チャンバー６内における対流の影響を低減することができ、半導体ウェハーＷの面内温度分布の均一性を向上させることができる。
さらに、第２実施形態においては、チャンバー６内の圧力を気圧Ｐ１から復圧するときに、常圧Ｐｓにまでは復圧せずに、大気圧よりも低い気圧Ｐ２にまで復圧している。従って、第１実施形態のようにチャンバー６内の圧力を常圧Ｐｓにまで復圧するのに比較して、第２実施形態のように気圧Ｐ２にまで復圧するのであれば復圧に要する時間を短くすることができる。そして、復圧に要する時間を短縮した分だけフラッシュ光照射のタイミングを早めることができる（図１１に示すように、第１実施形態でのフラッシュ光照射の時刻ｔ５よりも第２実施形態におけるフラッシュ光照射の時刻ｔ７が早い）。その結果、第２実施形態のようにチャンバー６内の圧力を大気圧よりも低い気圧Ｐ２にまで復圧した方が熱処理装置１におけるスループットを向上させることができる。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態の熱処理装置１の構成は第１実施形態と全く同じである。また、第３実施形態の熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順も第１実施形態と概ね同様である。第３実施形態が第１実施形態と相違するのは、チャンバー６内における圧力変化である。
図１２は、第３実施形態におけるチャンバー６内の圧力変化を示す図である。図１２においても、図１０と同様に、横軸には時刻を示し、縦軸にはチャンバー６内の圧力を示す。
第１実施形態と同様に、高誘電率膜１０３が形成された半導体ウェハーＷがチャンバー６に収容されて搬送開口部６６が閉鎖された時点では、チャンバー６内の圧力は常圧Ｐｓ（＝大気圧＝約101325Pa）である。そして、時刻ｔ１にチャンバー６内の減圧が開始される。第３実施形態においては、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９による排気流量を一定にするとともに、チャンバー６からの排気流量を流量調整バルブ１９６によって時間とともに連続的に増加させている。すなわち、減圧の初期段階では比較的小さな排気流量で排気を開始し、徐々に連続的に排気流量を増加させているのである。このようにすれば、第１実施形態と同様に、チャンバー６内におけるパーティクルの巻き上げを防止することができるとともに、排気部１９０の除害装置に過負荷がかかるのを防止することもできる。また、排気流量を無段階で連続的に増加させることにより、排気流量の急激な変化に起因したパーティクルの巻き上げをも防止することができる。
チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ１に到達した時刻ｔ３に、排気のためのバルブ８９を閉止して給気のためのバルブ８４を開放し、ガス供給源８５からチャンバー６内の熱処理空間６５にアンモニアと希釈ガスとしての窒素ガスとの混合ガスを供給してチャンバー６内を復圧する。なお、気圧Ｐ１は、例えば約１００Ｐａである。
第３実施形態においては、チャンバー６への処理ガスの給気流量を流量調整バルブ９０によって時間とともに連続的に増加させている。すなわち、復圧の初期段階では比較的小さな給気流量で給気を開始し、徐々に連続的に給気流量を増加させているのである。減圧時と同様に、復圧の開始時から大きな給気流量にて急速に給気を行うと、チャンバー６の構造物に付着していたパーティクルが巻き上げられるおそれがある。復圧の初期段階では小さな給気流量で静かに給気を開始し、徐々に排気流量を大きくしていくことにより、そのようなチャンバー６内のパーティクルの巻き上げを防止することができる。また、給気流量を無段階で連続的に増加させることにより、給気流量の急激な変化に起因したパーティクルの巻き上げをも防止することができる。
また、第３実施形態においては、チャンバー６に混合ガスを供給することによって時刻ｔ８にチャンバー６内の圧力を常圧Ｐｓを超える気圧Ｐ３にまで復圧している。気圧Ｐ３は、大気圧よりも高く、例えば約０．１５ＭＰａである。第３実施形態においても、チャンバー６内を一旦気圧Ｐ１にまで減圧してからそれよりも高い気圧Ｐ３に復圧しているため、復圧後のチャンバー６内の酸素濃度を約２００ｐｐｂ以下とすることができる。
チャンバー６内の圧力が気圧Ｐ３に復圧した時刻ｔ８以降は、チャンバー６に対するアンモニア・窒素混合ガスの供給流量とチャンバー６からの排気流量とを等しくしてチャンバー６内の圧力を気圧Ｐ３に維持する。そして、チャンバー６内の圧力を気圧Ｐ３に維持しつつ、ハロゲンランプＨＬによる半導体ウェハーＷの予備加熱を行い、さらにその後時刻ｔ９にフラッシュランプ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フラッシュ加熱を行う。予備加熱およびフラッシュ加熱処理の内容は第１実施形態と同じである。アンモニア雰囲気中にてフラッシュ光照射により半導体ウェハーＷの表面が加熱されることにより、高誘電率膜１０３の成膜後熱処理が実行される。
フラッシュ加熱処理の終了後、給気のためのバルブ８４を閉止してチャンバー６内を再び気圧Ｐ１にまで減圧することによって、チャンバー６内の熱処理空間６５から有害なアンモニアを排出する。このときにも、チャンバー６からの排気流量を流量調整バルブ１９６によって時間とともに連続的に増加させることにより、排気に起因したパーティクルの巻き上げを防止している。
続いて、排気のためのバルブ８９を閉止して給気のためのバルブ８４を開放し、ガス供給源８５からチャンバー６内に窒素ガスを供給して常圧Ｐｓにまで復圧する。このときにも、チャンバー６への給気流量を流量調整バルブ９０によって時間とともに連続的に増加させることにより、給気に起因したパーティクルの巻き上げを防止している。
また、ハロゲンランプＨＬも消灯し、これによって半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１からも降温する。その後、所定温度にまで降温した半導体ウェハーＷを熱処理装置１のチャンバー６から搬出する手順は第１実施形態と同様である。
ところで、チャンバー６内にパーティクルが巻き上がる要因としては、チャンバー６に対する給排気の他に、フラッシュ光照射も存在している。フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射時には、半導体ウェハーＷの表面が瞬間的に昇温する一方で裏面は予備加熱温度Ｔ１からさほどには昇温しないため、表裏面で大きな温度差が発生し、表面のみが熱膨張して半導体ウェハーＷが急激に変形する。その結果、半導体ウェハーＷがサセプター７４上で振動することによってパーティクルが発生してチャンバー６内に巻き上がるのである。
このようなフラッシュ光照射に起因したパーティクルを効果的にチャンバー６から排出すべく、第３実施形態では、フラッシュ加熱処理が終了してアンモニアを排出してからチャンバー６内に窒素ガスを供給して常圧Ｐｓにまで復圧したときにも、５０リットル／分以上１００リットル／分以下の流量にて窒素ガスをチャンバー６内に流すことによってフラッシュ光照射に起因したパーティクルを押し流している。これにより、フラッシュ光照射に起因したパーティクルが半導体ウェハーＷに付着して汚染するのを防止することができる。
なお、アンモニアを排出後にチャンバー６内に窒素ガスを供給して常圧Ｐｓにまで復圧するときに、排気のためのバルブ８９を開放したまま給気のためのバルブ８４も開放してチャンバー６内に窒素ガスを供給するようにしても良い。このようにすれば、フラッシュ光照射に起因したパーティクルをより効果的にチャンバー６から排出することができる。
第３実施形態においては、チャンバー６内を一旦大気圧よりも低い気圧Ｐ１に減圧した後にアンモニア・窒素混合ガスを供給して気圧Ｐ３に復圧しているため、第１実施形態と同じく高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を実行するときのチャンバー６内の熱処理空間６５の酸素濃度を約２００ｐｐｂ以下とすることができる。従って、成膜後熱処理中に熱処理空間６５から酸素を取り込んで高誘電率膜１０３の下地のシリコン酸化膜１０２の膜厚が増大するのを抑制することができる。
また、第１実施形態と同様に、半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬから１秒未満の照射時間にてフラッシュ光を照射して極短時間でウェハー表面を昇温しているため、成膜後熱処理の処理時間が極めて短く、酸素の拡散する時間的余裕が無いため、高誘電率膜１０３の下地のシリコン酸化膜１０２の膜厚が増大するのを抑制することができる。
また、第３実施形態においては、チャンバー６内の圧力が大気圧よりも高い気圧Ｐ３にて、つまり加圧下にて半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射して高誘電率膜１０３の成膜後熱処理を行っている。加圧下ではアンモニアの分圧も高くなり、第１実施形態の処理温度Ｔ２より低温でも窒化処理を促進することができる。すなわち、フラッシュ光照射時の処理温度をより低温化することが可能となる。
さらに、第３実施形態では、チャンバー６内の減圧時および復圧時において、排気流量および給気流量を無段階で連続的に変化させている。これにより、給排気の急激な変化に起因したパーティクルの巻き上げを防止することができる。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第４実施形態の熱処理装置１の構成は第１実施形態と全く同じである。また、第４実施形態の熱処理装置１における半導体ウェハーＷの処理手順も第１実施形態と概ね同様である。第４実施形態が第１実施形態と相違するのは、半導体ウェハーＷの熱処理時における雰囲気制御である。
第１実施形態では半導体ウェハーＷの予備加熱およびフラッシュ加熱をともにアンモニア雰囲気中にて行っていたが、第４実施形態においては、フラッシュ加熱処理時にはアンモニアの供給を停止している。具体的には、第１実施形態と同様に、高誘電率膜１０３が形成された半導体ウェハーＷがチャンバー６に収容された後、チャンバー６内の圧力を一旦気圧Ｐ１にまで減圧してからアンモニアと希釈ガスとしての窒素ガスとの混合ガスをチャンバー６内の熱処理空間６５に供給して常圧Ｐｓに復圧する。
チャンバー６内の圧力が常圧Ｐｓに復圧した後、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが点灯して半導体ウェハーＷの予備加熱が開始される。この予備加熱の段階においては、チャンバー６に対してアンモニア・窒素混合ガスを供給するとともに、チャンバー６からの排気も行ってチャンバー６内の圧力を常圧Ｐｓに維持している。すなわち、予備加熱工程では、チャンバー６内にアンモニア・窒素混合ガスを供給してアンモニア雰囲気を形成しているのである。アンモニア雰囲気中にて半導体ウェハーＷを予備加熱温度Ｔ１に昇温する予備加熱を行うことにより、ある程度の高誘電率膜１０３の窒化を行う。
次に、第４実施形態においては、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射を行う前に、チャンバー６内へのアンモニアの供給を停止する。アンモニア供給の停止に際して、減少したアンモニア供給流量に相当する流量の窒素ガス供給を増加するようにしても良いし、或いは排気流量を減少するようにしても良い。いずれであっても、アンモニアの供給停止後もチャンバー６内の圧力は常圧Ｐｓに維持されることとなる。
チャンバー６からの排気を継続しつつ、アンモニアの供給を停止することによって、チャンバー６内におけるアンモニア濃度が低下する。そして、チャンバー６内のアンモニア濃度がアンモニア供給停止前の１０分の１以下となった時点でフラッシュランプ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。なお、この発光制御を行うために、チャンバー６内にアンモニアの気中濃度を測定する濃度計を設置するようにしても良いし、予め実験等によってアンモニア濃度が１０分の１以下となるまでの時間を求めておき、アンモニア供給停止後にその時間が経過した時点でフラッシュ光照射を行うようにしても良い。
チャンバー６に対するアンモニアの供給を停止した状態にて半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射することにより、高誘電率膜１０３の窒化が抑制されるとともに、予備加熱工程にてアンモニアと反応して高誘電率膜１０３に入り込んだ水素を脱離させることができる。
フラッシュ加熱処理後の手順も第１実施形態と同じである。具体的には、フラッシュ加熱処理終了後、チャンバー６内を再び気圧Ｐ１にまで減圧し、続いて、チャンバー６内に窒素ガスを供給して常圧Ｐｓにまで復圧する。また、ハロゲンランプＨＬも消灯し、所定温度にまで降温した半導体ウェハーＷを熱処理装置１のチャンバー６から搬出する。
第４実施形態においては、予備加熱工程ではチャンバー６内へのアンモニア供給を行うとともに、フラッシュ光照射時にはチャンバー６内へのアンモニアの供給を停止することにより、高誘電率膜１０３をある程度窒化させるとともに高誘電率膜１０３に入り込んだ水素を脱離させることができる。
＜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、チャンバー６内を減圧するときの到達圧力である気圧Ｐ１を約１００Ｐａとしていたが、これ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。チャンバー６内の到達酸素濃度を１０分の１程度にまで下げるためには、チャンバー６内を減圧するときの到達圧力である気圧Ｐ１を大気圧の約１０分の１（約１００００Ｐａ）とすれば足りる。気圧Ｐ１をより低圧にすれば（つまり、より高真空にまで減圧すれば）、復圧後にチャンバー６内に残留している酸素濃度をより低くすることができるものの、気圧Ｐ１に到達するまでの減圧時間が長くなる。このため、成膜後熱処理を実行する際に必要な酸素濃度とスループットのバランスより気圧Ｐ１を設定するのが好ましい。
また、チャンバー６内を減圧するときの到達圧力である気圧Ｐ１は、半導体ウェハーＷの熱処理時のチャンバー６内の気圧、つまり復圧するときの目標気圧（第１実施形態では常圧Ｐｓ、第２実施形態では気圧Ｐ２、第３実施形態では気圧Ｐ３）の１００分の１以下とするのが好ましい。このようにすれば、残留空気による半導体ウェハーＷの熱処理時のアンモニア雰囲気への影響を少なくすることができる。
また、上記各実施形態においては、３本のバイパスライン１９７，１９８，１９９を設けることによってチャンバー６からの排気流量を制御していたが、バイパスラインの本数は２本以上であれば良い。また、複数本のバイパスライン１９７，１９８，１９９を設けるのに代えて、スロットルバルブまたはガスバラストを設けることによってチャンバー６からの排気流量を制御するようにしても良い。また、流量調整バルブ９０，１９６に代えてマスフローコントローラを用いるようにしても良い。
第１および第２実施形態では減圧時のチャンバー６からの排気流量を２段階に切り換え、第３実施形態では排気流量を無段階で連続的に増加させていたが、これらに限定されるものではなく、例えば排気流量を多段階で切り換えるようにしても良い。すなわち、チャンバー６内を減圧するときの排気流量は時間とともに増加する形態であれば良い。
同様に、復圧時のチャンバー６への給気流量についても、第３実施形態では給気流量を無段階で連続的に増加させていたが、これを２段階或いは多段階で切り換えて増加させるようにしても良い。すなわち、チャンバー６内を復圧するときの給気流量も時間とともに増加する形態であれば良い。
また、チャンバー６内の減圧および復圧を行う際に、制御部３は、減圧開始時（時刻ｔ１）からの経過時間に基づいて各種バルブ等を制御するようにしても良いし、圧力計１８０による熱処理空間６５の圧力の測定結果に基づいて各種バルブ等をフィードバック制御するようにしても良い。経過時間に基づいて制御を行う場合には、経過時間とチャンバー６内の圧力との関係を実験またはシミュレーションによって求めておけば良い。
また、上記各実施形態においては、チャンバー６内にアンモニアと窒素ガスとの混合ガスを供給していたが、これに限定されるものではなく、アンモニアと混合する希釈ガスとしては、水素ガス（Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、キセノン（Ｘｅ）等を用いることができる。これらのいずれかのガスとアンモニアとの混合ガスを熱処理空間６５に供給してチャンバー６内にアンモニア雰囲気を形成することができる。特に、ヘリウムは熱を奪う能力が高く冷却ガスとしても使用されているものであり、アンモニアとヘリウムとの混合ガスを用いれば、フラッシュ加熱処理後の半導体ウェハーＷの冷却速度を高めることができる。
また、処理ガスとしては窒素酸化物や酸素、オゾン等の酸素系の反応性ガスを用いることもできる。例えば、微量のオゾンを導入して高誘電率膜の熱処理を行うことがある。このような場合には、バックグラウンドとなるチャンバー６内の残留酸素濃度を十分に低減しておかなければ、オゾン等の酸素系ガスの濃度の制御性が低下する。上記実施形態と同様にして、チャンバー６内の熱処理空間６５の酸素濃度を低下させておくことにより、酸素系ガスの濃度の制御性を高めることができ、酸素系の反応性ガスを用いる場合であっても本発明に係る技術は意義あるものとなる。
また、第４実施形態において、アンモニアの供給を停止すると同時にチャンバー６内の減圧を開始するようにしても良い。この場合、半導体ウェハーＷの予備加熱は常圧のアンモニア雰囲気中にて行われることとなり、フラッシュ加熱は減圧しつつ行われることとなる。
また、上記各実施形態においては、界面層膜としてのシリコン酸化膜１０２の上にゲート絶縁膜としての高誘電率膜１０３が形成された半導体ウェハーＷ（図９）に熱処理を行っていたが、高誘電率膜１０３の上にさらにメタルゲートを堆積した状態の半導体ウェハーＷに熱処理を行うようにしても良い。メタルゲートの素材としては例えばチタンナイトライド（ＴｉＮ）、チタンアルミ（ＴｉＡｌ）、タングステン（Ｗ）等を用いることができる。高誘電率膜１０３の上にメタルゲートを形成した半導体ウェハーＷに対して上記各実施形態と同様の手順にて予備加熱およびフラッシュ加熱処理を行う。これにより成膜後の高誘電率膜１０３に存在している多数の欠陥を消滅させる成膜後熱処理を行うことができる。
メタルゲートを形成した状態の半導体ウェハーＷに熱処理を行った場合には、メタルゲート自体が酸化されることがある。また、メタルゲートおよび高誘電率膜１０３を通して酸素が拡散してシリコン酸化膜１０２の膜厚が増大することもある。上記各実施形態のように、チャンバー６内を一旦気圧Ｐ１にまで減圧してから復圧することにより、チャンバー６内を極低酸素濃度として半導体ウェハーＷに予備加熱およびフラッシュ加熱処理を行えば、シリコン酸化膜１０２の膜厚が増大するのを抑制できるとともに、メタルゲート自体の酸化を防止することもできる。
また、基材１０１の材質はシリコンに限定されるものではなく、ゲルマニウム（Ｇｅ）またはシリコンゲルマニウムであっても良い。基材１０１の材質としてシリコン以外を採用した場合には、高誘電率膜１０３の下地に形成する界面層膜についても二酸化ケイ素以外のものとなることがある。
１ 熱処理装置
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
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
８５ ガス供給源
９０，１９６ 流量調整バルブ
１０１ 基材
１０２ シリコン酸化膜
１０３ 高誘電率膜
１９０ 排気部
１９１ 排気ポンプ
１９２，１９３，１９４ 排気バルブ
１９７，１９８，１９９ バイパスライン
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 (20)

  1. 高誘電率膜を形成した基板にフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法であって、
    高誘電率膜を形成した基板をチャンバー内に搬入する搬入工程と、
    前記チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧する減圧工程と、
    前記チャンバー内に酸素系の反応性ガスを供給して前記チャンバー内を第１の圧力から第１の圧力よりも高い第２の圧力に復圧する復圧工程と、
    前記チャンバー内を第２の圧力に維持しつつ、前記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照射工程と、
    を備え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、
    前記酸素系の反応性ガスは、オゾンであ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、
    第２の圧力は、第１の圧力よりも高く大気圧よりも低いことを特徴とする熱処理方法。
  4. 請求項１または請求項２記載の熱処理方法において、
    第２の圧力は大気圧であることを特徴とする熱処理方法。
  5. 請求項１または請求項２記載の熱処理方法において、
    第２の圧力は大気圧よりも高い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、
    前記フラッシュ光の照射時間は、０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下である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フラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法であって、
    高誘電率膜を形成した基板をチャンバー内に搬入する搬入工程と、
    前記チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧する減圧工程と、
    前記チャンバー内を第１の圧力から第１の圧力よりも高い第２の圧力に復圧して前記チャンバー内の酸素濃度を２００ｐｐｂ以下とする復圧工程と、
    前記チャンバー内を第２の圧力かつ酸素濃度２００ｐｐｂ以下に維持しつつ、前記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照射工程と、
    を備えることを特徴とする熱処理方法。
  8. 請求項７記載の熱処理方法において、
    前記復圧工程では、前記チャンバー内にアンモニアを含む反応性ガスを導入することを特徴とする熱処理方法。
  9. 請求項７または請求項８記載の熱処理方法において、
    第２の圧力は、第１の圧力よりも高く大気圧よりも低いことを特徴とする熱処理方法。
  10. 請求項７または請求項８記載の熱処理方法において、
    第２の圧力は大気圧であることを特徴とする熱処理方法。
  11. 請求項７または請求項８記載の熱処理方法において、
    第２の圧力は大気圧よりも高いことを特徴とする熱処理方法。
  12. 請求項７から請求項１１のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記フラッシュ光の照射時間は、０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下であることを特徴とする熱処理方法。
  13. 高誘電率膜を形成した基板にフラッシュ光を照射することによって該基板を加熱する熱処理方法であって、
    基材上に界面層膜を挟みこんで高誘電率膜を形成し、前記高誘電率膜上にさらにメタルゲートを形成した基板をチャンバー内に搬入する搬入工程と、
    前記チャンバー内を大気圧よりも低い第１の圧力に減圧する減圧工程と、
    前記チャンバー内を第１の圧力から第１の圧力よりも高い第２の圧力に復圧する復圧工程と、
    前記チャンバー内を第２の圧力に維持しつつ、前記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照射工程と、
    を備えることを特徴とする熱処理方法。
  14. 請求項１３記載の熱処理方法において、
    前記界面層膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする熱処理方法。
  15. 請求項１３または請求項１４記載の熱処理方法において、
    前記メタルゲートは、チタンナイトライド、チタンアルミ、または、タングステンにて形成されることを特徴とする熱処理方法。
  16. 請求項１３から請求項１５のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記復圧工程では、前記チャンバー内にアンモニアを含む反応性ガスを導入することを特徴とする熱処理方法。
  17. 請求項１３から請求項１６のいずれかに記載の熱処理方法において、
    第２の圧力は、第１の圧力よりも高く大気圧よりも低いことを特徴とする熱処理方法。
  18. 請求項１３から請求項１６のいずれかに記載の熱処理方法において、
    第２の圧力は大気圧であることを特徴とする熱処理方法。
  19. 請求項１３から請求項１６のいずれかに記載の熱処理方法において、
    第２の圧力は大気圧よりも高いことを特徴とする熱処理方法。
  20. 請求項１３から請求項１９のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記フラッシュ光の照射時間は、０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下であることを特徴とする熱処理方法。
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