JP6654716B2 - 熱処理方法およびゲート形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン等の基材上に界面層膜を挟み込んで高誘電率ゲート絶縁膜が成膜された半導体ウェハーや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）にフラッシュ光を照射して当該高誘電率ゲート絶縁膜を加熱する熱処理方法および基板にゲートを形成するゲート形成方法に関する。
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誘電率の高い材料（高誘電率材料）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。
ところが、高誘電率材料を堆積して成膜した高誘電率ゲート絶縁膜には多くの点欠陥等の欠陥が含まれており、そのような欠陥はリーク電流の原因となる。高誘電率ゲート絶縁膜中の欠陥を低減するには、堆積後に熱処理(PDA:Post Deposition Anneal)を行って欠陥を消滅させたり、窒素を導入して欠陥を不活性化（窒化処理）する方法等がある。
高誘電率ゲート絶縁膜の窒化処理には一般に高温での処理が必要となる。しかし、高温での処理時間が長くなると高誘電率ゲート絶縁膜の下地に形成されている二酸化ケイ素等の界面層膜も窒化されることがあり、その結果界面品質劣化に伴いキャリア移動度が大幅に低下し、シリコン酸化膜換算膜厚（EOT:Equivalent oxide thickness）が増大するという問題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、界面層膜の窒化を抑制しつつ高誘電率膜の窒化を促進することができる熱処理方法およびゲート形成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、基板にゲートを形成するゲート形成方法において、基材上に界面層膜を形成する第１成膜工程と、前記界面層膜の上に高誘電率膜を形成する第２成膜工程と、前記高誘電率膜の上にメタルゲートを堆積する第１堆積工程と、アンモニア雰囲気中にて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および前記メタルゲートを加熱するフラッシュ照射工程と、前記メタルゲートの上にさらにメタルゲートを堆積する第２堆積工程と、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の発明に係るゲート形成方法において、前記フラッシュ照射工程では、分光分布にて波長２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内にピークを有する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１の発明に係るゲート形成方法において、前記フラッシュ照射工程では、分光分布にて波長５００ｎｍに対する波長３００ｎｍの相対強度が２０％以上である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、基材上に界面層膜を挟み込んで高誘電率膜が成膜され、さらに前記高誘電率膜の上にメタルゲートが堆積された基板を加熱する熱処理方法において、前記基板をチャンバー内に収容する収容工程と、前記チャンバー内にアンモニアを供給してアンモニア雰囲気を形成する雰囲気形成工程と、前記チャンバー内に収容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および前記メタルゲートを加熱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５の発明は、請求項４の発明に係る熱処理方法において、前記フラッシュ照射工程では、分光分布にて波長２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内にピークを有するフラッシュ光を照射することを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項４の発明に係る熱処理方法において、前記フラッシュ照射工程では、分光分布にて波長５００ｎｍに対する波長３００ｎｍの相対強度が２０％以上であるフラッシュ光を照射することを特徴とする。
請求項１から請求項３の発明によれば、アンモニア雰囲気中にて基板の表面にフラッシュ光を照射して高誘電率膜およびメタルゲートを加熱するため、高誘電率膜の窒化を促進して欠陥を低減することができる。また、照射時間の極めて短いフラッシュ光照射であれば、高誘電率膜の下地に形成されている界面層膜の窒化は抑制することができる。
請求項４から請求項６の発明によれば、アンモニア雰囲気中にて基板の表面にフラッシュ光を照射して高誘電率膜およびメタルゲートを加熱するため、高誘電率膜の窒化を促進して欠陥を低減することができる。また、照射時間の極めて短いフラッシュ光照射であれば、高誘電率膜の下地に形成されている界面層膜の窒化は抑制することができる。
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。
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、界面層膜を挟み込んで高誘電率ゲート絶縁膜（High-kゲート絶縁膜）が成膜された半導体の基板Ｗに対してアンモニア雰囲気中にてフラッシュ光を照射することによって当該高誘電率ゲート絶縁膜の窒化を促進するフラッシュランプアニール（ＦＬＡ）装置である。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、基板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、基板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基板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の内部にアンモニア（ＮＨ３）を供給するアンモニア供給機構１８０を備える。さらに、熱処理装置１は、シャッター機構２、アンモニア供給機構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基板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。特に、フラッシュ光をチャンバー６内に透過する上側チャンバー窓６３は、波長３００ｎｍ以下の紫外域においても高い透過率を有する合成石英にて形成されている。
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、基板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に対して基板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８５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８５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への基板Ｗの搬入および熱処理空間６５からの基板Ｗの搬出を行うことができる。また、ゲートバルブ８５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はアンモニア供給機構１８０に接続される。詳細には、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、他方はアンモニア供給源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、アンモニア供給源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、アンモニア供給源１８９からガス供給管８３を通って緩衝空間８２にアンモニアガス（ＮＨ３）が送給される。ガス供給管８３を流れるアンモニア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、アンモニア供給源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によってアンモニア供給機構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、チャンバー６にアンモニアと窒素ガスとの混合ガスを供給することができる。アンモニア供給機構１８０がチャンバー６に供給する混合ガス中に含まれるアンモニアの濃度は約１０vol.％以下であり、本実施形態では２．５vol.％である。
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。
排気部１９０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。排気部１９０として真空ポンプを採用し、アンモニア供給機構１８０から何らのガス供給を行う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、排気部１９０として真空ポンプを用いていない場合であっても、アンモニア供給機構１８０からガス供給を行うことなく排気を行うことにより、チャンバー６内を大気圧未満の気圧に減圧することができる。
アンモニア供給機構１８０および排気部１９０によって、チャンバー６内の熱処理空間６５にアンモニア雰囲気を形成することができる。すなわち、排気部１９０によって熱処理空間６５から排気を行いつつ、アンモニア供給機構１８０から熱処理空間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とにより、熱処理空間６５に所定のアンモニア濃度（本実施形態では約２．５vol.％）のアンモニア雰囲気を形成することができる。
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の直径は基板Ｗの直径よりも大きい。すなわち、サセプター７４は、基板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基板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に搬入された基板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。基板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、基板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に保持された基板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が基板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。なお、熱処理装置１のチャンバー６内にはアンモニア雰囲気が形成されるため、放射温度計１２０の測定波長域は赤外域におけるアンモニアの吸収波長域（２μｍ前後、３μｍ前後および５．５μｍ〜７μｍ）を含まないことが好ましい。
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に対して基板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に保持された基板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。ランプ光放射窓５３も、上側チャンバー窓６３と同じ合成石英にて形成されている。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に保持される基板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。
本実施形態のフラッシュランプＦＬは、紫外域の波長成分を比較的多く含んだフラッシュ光を放射する。図９は、フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光の分光分布を示す図である。同図に示すように、本実施形態のフラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光は、分光分布にて波長２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内にピークを有する。また、フラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光は、分光分布にて波長５００ｎｍに対する波長３００ｎｍの相対強度が２０％以上である。図９に示すような分光分布は、ガラス管９２内に封入するキセノンガスの成分やガス圧の調整によって得ることができる。なお、ガラス管９２も波長３００ｎｍ以下の紫外域において高い透過率を有する合成石英にて形成するのが好ましい。
また、本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を透過するランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３が合成石英にて形成されている。合成石英は、波長３００ｎｍ以下の紫外線に対しても高い透過率を有している。その結果、フラッシュランプＦＬから出射されてチャンバー６内の基板Ｗに照射されるフラッシュ光の分光分布は、波長２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内にピークを有するとともに、波長５００ｎｍに対する波長３００ｎｍの相対強度が２０％以上となる。
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に保持される基板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に保持される基板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基板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基板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、チャンバー６に対する給排気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、基板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、基板Ｗに対する処理手順について説明する。図１０は、基板Ｗにゲートを形成する処理手順を示すフローチャートである。同図のステップＳ１４〜ステップＳ１８が熱処理装置１によって実行される処理である。また、図１１は、基板Ｗの基材１０１上に界面層膜１０２を挟み込んで高誘電率ゲート絶縁膜１０３が成膜されたスタック構造を示す図である。以下、図１１を適宜参照しつつ基板Ｗの処理手順について説明する。
まず、ゲートを形成する準備として基板Ｗの前処理が行われる（ステップＳ１１）。この前処理は洗浄液を用いた基板Ｗ表面の洗浄処理である。洗浄液は、ＳＣ１液（アンモニア水、過酸化水素水、水の混合液）、ＳＣ２液（塩酸、過酸化水素水、水の混合液）、ＤＨＦ液（希フッ酸）などの薬液および純水を含む。このような洗浄液を基板Ｗの表面に供給して洗浄処理を行う。なお、洗浄処理の方式は、複数の基板Ｗに対して一括して洗浄処理を行うバッチ式洗浄であっても、基板Ｗを１枚ずつ処理する枚葉式洗浄であっても良い。
次に、基板Ｗのシリコンの基材１０１上に界面層膜１０２を形成する（ステップＳ１２）。基材１０１がシリコンの場合、典型的には界面層膜１０２はＳｉＯ２である。界面層膜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、界面層膜１０２の上に高誘電率ゲート絶縁膜１０３が形成される。高誘電率ゲート絶縁膜１０３としては、例えばＨｆＯ２，ＺｒＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｌａ２Ｏ３等を用いることができる（本実施形態では、ＨｆＯ２）。高誘電率ゲート絶縁膜１０３は、例えばＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)によって高誘電率材料を界面層膜１０２の上に堆積させることにより成膜される。界面層膜１０２上に堆積される高誘電率ゲート絶縁膜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。高誘電率ゲート絶縁膜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ゲート絶縁膜１０３中には多数の点欠陥等の欠陥が存在している。なお、図１１に示す構造では、高誘電率ゲート絶縁膜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ゲート絶縁膜１０３よりも先に形成されている。
このようにしてシリコンの基材１０１上に界面層膜１０２を挟み込んで高誘電率ゲート絶縁膜１０３が成膜された基板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１０２上に高誘電率ゲート絶縁膜１０３が形成された基板Ｗが熱処理装置１のチャンバー６に搬入される（ステップＳ１４）。基板Ｗの搬入時には、ゲートバルブ８５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を介して高誘電率ゲート絶縁膜１０３が形成された基板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、バルブ１８３を開放してチャンバー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。搬送ロボットによって搬入された基板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基板Ｗを受け取る。
基板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８５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、基板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。基板Ｗは、高誘電率ゲート絶縁膜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、基板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。
基板Ｗがチャンバー６に収容された後、チャンバー６内にアンモニア雰囲気を形成する（ステップＳ１５）。具体的には、バルブ８９を開放することによって熱処理空間６５から排気を行うととともに、バルブ１８３およびバルブ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に保持された基板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、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、アンモニア雰囲気中におけるアンモニアの濃度が約２．５vol.％となるように、流量調整弁１８６および流量調整弁１８１によってアンモニアおよび窒素ガスの流量が調整されている。なお、アンモニア雰囲気中におけるアンモニアの濃度は１０vol.％以下であれば良い。
また、チャンバー６内にアンモニア雰囲気が形成されるとともに、ハロゲン加熱部４の４０本のハロゲンランプＨＬが一斉に点灯して基板Ｗの予備加熱（アシスト加熱）が開始される（ステップＳ１６）。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を透過して基板Ｗの裏面から照射される。基板Ｗの裏面とは、高誘電率ゲート絶縁膜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基板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、基板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に保持された基板Ｗの下面に切り欠き部７７を介して接触して昇温中の基板温度を測定する。測定された基板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基板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、基板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。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基板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。
基板Ｗの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達した後、制御部３は基板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基板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、基板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、高誘電率ゲート絶縁膜１０３および界面層膜１０２を含む基板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基板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、基板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、放熱が生じやすい基板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基板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の内周面によって基板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基板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、基板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（ステップＳ１７）。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が発光し、保持部７に保持された基板Ｗの表面にフラッシュ光が照射される。本実施形態のフラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光は、分光分布にて波長２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内にピークを有するとともに、分光分布にて波長５００ｎｍに対する波長３００ｎｍの相対強度が２０％以上である（図９）。また、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光を透過するランプ光放射窓５３および上側チャンバー窓６３は合成石英にて形成されている。このため、高誘電率ゲート絶縁膜１０３が形成された基板Ｗの表面には、紫外域の波長成分を比較的多く含むフラッシュ光が照射される。具体的には、高誘電率ゲート絶縁膜１０３に対して、分光分布にて波長２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内にピークを有するとともに、分光分布にて波長５００ｎｍに対する波長３００ｎｍの相対強度が２０％以上であるフラッシュ光が照射される。
ここで、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。ＩＧＢＴ９６によって調整されるフラッシュランプＦＬのフラッシュ光照射時間は０．２ミリ秒以上１秒以下であり、本実施形態では３ミリ秒とされている。
基材１０１上に界面層膜１０２を挟み込んで高誘電率ゲート絶縁膜１０３が成膜された基板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、高誘電率ゲート絶縁膜１０３を含む基板Ｗの表面は瞬間的に処理温度Ｔ２にまで昇温する。フラッシュ光照射によって基板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基板Ｗの表面が処理温度Ｔ２にまで昇温すると、高誘電率ゲート絶縁膜１０３の窒化が促進されることとなる。なお、フラッシュランプＦＬからの照射時間は１秒以下の短時間であるため、基板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。
図１２は、フラッシュ加熱処理によって高誘電率ゲート絶縁膜１０３が窒化される様子を示す図である。アンモニア雰囲気中にてフラッシュ光照射によって高誘電率ゲート絶縁膜１０３が処理温度Ｔ２に加熱されることによって高誘電率ゲート絶縁膜１０３の表面（界面層膜１０２とは反対側のフラッシュ光が照射される面）から窒素原子が浸透して窒化が進行する。但し、フラッシュランプＦＬのフラッシュ光照射時間は０．２ミリ秒以上１秒以下の極めて短時間であるため、フラッシュ加熱によって高誘電率ゲート絶縁膜１０３の全体が窒化されることはなく、窒素原子の浸透は高誘電率ゲート絶縁膜１０３の表面から所定深さまでの一部領域に留まる。すなわち、窒化は高誘電率ゲート絶縁膜１０３の下地である界面層膜１０２にまで到達することはなく、その結果界面層膜１０２の窒化は抑制されることとなる。
また、ＨｆＯ２の高誘電率ゲート絶縁膜１０３のバンドギャップを超えて電子を遷移させるのに必要なエネルギーを有する光の波長は３００ｎｍ以下である。すなわち、波長３００ｎｍ以下の紫外光に対しては高誘電率ゲート絶縁膜１０３は高い吸収特性を示す。本実施形態のように、高誘電率ゲート絶縁膜１０３に紫外域の波長成分を比較的多く含むフラッシュ光を照射すると、高誘電率ゲート絶縁膜１０３によってフラッシュ光が効率良く吸収される一方、フラッシュ光が高誘電率ゲート絶縁膜１０３を透過して下地の界面層膜１０２にまで到達することはない。従って、下地の界面層膜１０２を加熱することなく、高誘電率ゲート絶縁膜１０３のみを加熱してその窒化処理を促進することができる。
また、アンモニアも紫外光に対して高い吸収特性を有している。よって、アンモニア雰囲気中にて紫外域の波長成分を比較的多く含むフラッシュ光を照射すると、アンモニアの分子もフラッシュ光を吸収して活性化され、高誘電率ゲート絶縁膜１０３の窒化をさらに促進させることができる。
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、基板Ｗの表面温度は目標温度Ｔ２から急速に降温する。また、ハロゲンランプＨＬも消灯し、これによって基板Ｗが予備加熱温度Ｔ１からも降温する。基板Ｗの加熱処理終了後にはバルブ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。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、これが基板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、基板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に保持された基板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基板Ｗの温度を測定する。測定された基板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基板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に保持された基板Ｗの温度を正確に測定することができる。また、放射温度計１２０の測定波長域は赤外域におけるアンモニアの吸収波長域を含まないため、チャンバー６内に残留するアンモニアによって基板Ｗの温度測定が阻害されることは防止される。
制御部３は、放射温度計１２０によって測定される基板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、基板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基板Ｗをサセプター７４から受け取る。続いて、ゲートバルブ８５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上に載置された基板Ｗが装置外部の搬送ロボットにより搬出され（ステップＳ１８）、熱処理装置１における基板Ｗの加熱処理が完了する。
熱処理装置１における処理終了後に、窒化された高誘電率ゲート絶縁膜１０３の上にメタルゲートが堆積される（ステップＳ１９）。メタルゲート電極に用いられる材料には、例えばチタン（Ｔｉ）或いはチタンの窒化物（ＴｉＮ）を用いることができる。
本実施形態においては、基材１０１上に界面層膜１０２を挟み込んで高誘電率ゲート絶縁膜１０３が成膜された基板Ｗの表面にアンモニア雰囲気中にてフラッシュランプＦＬから０．２ミリ秒以上１秒以下の照射時間にてフラッシュ光を照射することによって、アンモニア雰囲気中で高誘電率ゲート絶縁膜１０３を処理温度Ｔ２に加熱して高誘電率ゲート絶縁膜１０３の窒化処理を行っている。高誘電率ゲート絶縁膜１０３が窒化されることによって、堆積後に高誘電率ゲート絶縁膜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、フラッシュランプＦＬのフラッシュ光照射時間は０．２ミリ秒以上１秒以下の極めて短時間であるため、高誘電率ゲート絶縁膜１０３の下地に形成されている界面層膜１０２まで窒化されることはない。よって、界面層膜１０２の窒化に起因したキャリア移動度の低下を防ぎＥＯＴの増大も防止することができる。
高誘電率ゲート絶縁膜１０３の窒化には、アンモニア雰囲気にて高誘電率ゲート絶縁膜１０３を高温に加熱することが必要なのであるが、従来よりのＲＴＰ(rapid thermal process)などによって高誘電率ゲート絶縁膜１０３を加熱した場合には数秒程度高温に昇温されることとなる。そうすると、高誘電率ゲート絶縁膜１０３の下地の界面層膜１０２までをも窒化されて劣化し、キャリア移動度が大幅に落ち、ＥＯＴが増大する問題が生じることとなっていた。
本実施形態においては、アンモニア雰囲気中にてフラッシュ光照射によって高誘電率ゲート絶縁膜１０３を極短時間加熱することにより、界面層膜１０２の窒化を抑制しつつ高誘電率ゲート絶縁膜１０３の窒化を促進することができる。このことは、換言すれば、フラッシュ光照射による高誘電率ゲート絶縁膜１０３の極短時間加熱であれば、窒化処理が可能な高温にまで高誘電率ゲート絶縁膜１０３を加熱することが可能であることを意味している。
また、従来のフラッシュランプから放射されるフラッシュ光の分光分布では可視光域の光が主成分であり、アンモニアに対しては吸収されずに透過することとなっていた。よって、従来のフラッシュランプではアンモニアを活性化できずに高誘電率ゲート絶縁膜の窒化が進行しにくくなるおそれもあった。
本実施形態のフラッシュランプＦＬから放射されるフラッシュ光は、分光分布にて波長２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内にピークを有するとともに、分光分布にて波長５００ｎｍに対する波長３００ｎｍの相対強度が２０％以上である。高誘電率ゲート絶縁膜１０３および雰囲気中のアンモニアは紫外光に対しては高い吸収特性を有している。従って、紫外域の波長成分を比較的多く含むフラッシュ光を照射することにより、高誘電率ゲート絶縁膜１０３およびアンモニアの分子がフラッシュ光を効率良く吸収して活性化され、その結果高誘電率ゲート絶縁膜１０３の窒化処理を確実に促進することができる。
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、常圧のチャンバー６内にアンモニア雰囲気を形成していたが、これに代えて、チャンバー６内を大気圧未満の減圧に維持しつつアンモニア雰囲気を形成するようにしても良い。平均自由工程が常圧よりも大きくなる減圧下のチャンバー６内にアンモニア雰囲気を形成してフラッシュ加熱処理を行えば、高誘電率ゲート絶縁膜１０３の窒化処理を確実に促進することができる。
また、アンモニア雰囲気中でのフラッシュ加熱による窒化処理に加えて、それとは異なる熱処理によって高誘電率ゲート絶縁膜１０３中の欠陥を消滅させるようにしても良い。図１３および図１４は、基板Ｗにゲートを形成する処理手順の他の例を示すフローチャートである。図１３に示す例では、高誘電率ゲート絶縁膜１０３を形成した後、熱処理装置１でのフラッシュ加熱処理を行う前に、堆積後アニール処理を行っている（ステップＳ２４）。この処理は、ハロゲンランプを使用したＲＴＰ(rapid thermal process)によって行うようにしても良いし、フラッシュランプを使用したフラッシュ加熱によって行うようにしても良い。フラッシュ加熱によってステップＳ２４の堆積後アニール処理を行う場合には、本実施形態の熱処理装置１においてチャンバー６内を窒素雰囲気として実行するようにしても良い。堆積後アニール処理を行うことによって、堆積後に高誘電率ゲート絶縁膜１０３中に存在していた欠陥が低減され、窒化処理による効果と併せて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。なお、図１３のステップＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２６はそれぞれ図１０のステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１９と同じであり、図１３のステップＳ２５は図１０のステップＳ１４〜Ｓ１８までの処理と同じである。
また、図１４に示す例では、熱処理装置１によるフラッシュ加熱処理後に、窒化後アニール処理を行っている（ステップＳ３５）。この処理も、ハロゲンランプを使用したＲＴＰによって行うようにしても良いし、フラッシュランプを使用したフラッシュ加熱によって行うようにしても良い。フラッシュ加熱によってステップＳ３５の窒化後アニール処理を行う場合には、本実施形態の熱処理装置１においてチャンバー６内を窒素雰囲気として実行するようにしても良い。窒化後アニール処理を行うことによって、堆積後に高誘電率ゲート絶縁膜１０３中に存在していた欠陥が低減され、窒化処理による効果と併せて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。なお、図１４のステップＳ３１，Ｓ３２，Ｓ３３，Ｓ３６はそれぞれ図１０のステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１９と同じであり、図１４のステップＳ３４は図１０のステップＳ１４〜Ｓ１８までの処理と同じである。
また、フラッシュ加熱によって極短時間で窒化後アニール処理を行うことにより、高誘電率ゲート絶縁膜１０３中の窒素原子の界面拡散を抑制することができる。さらに、水素雰囲気中にてフラッシュ加熱によって窒化後アニール処理を行うと、界面準位を減らすことができる。
もっとも、上記実施形態のように、熱処理装置１による１回のフラッシュ加熱処理によって、高誘電率ゲート絶縁膜１０３の窒化処理と欠陥の消滅とを同時に行うようにすれば、図１３，１４に示す例よりも処理工程を簡略化してスループットをも高めることができる。
また、図１５に示すような処理手順に従っても良い。図１５のステップＳ４１，Ｓ４２，Ｓ４３はそれぞれ図１０のステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３と同じである。図１５に示す例では、界面層膜１０２の上に高誘電率ゲート絶縁膜１０３が形成された後、さらにその上に薄くメタルゲートを堆積する（ステップＳ４４）。そして、高誘電率ゲート絶縁膜１０３の上に薄いメタルゲートを堆積した状態で熱処理装置１によってアンモニア雰囲気中にてフラッシュ加熱処理を行う（ステップＳ４５）。これによって、高誘電率ゲート絶縁膜１０３のみならず、堆積されたメタルゲート中の欠陥をも低減してその特性を向上させることができる。その後、薄いメタルゲートの上にさらにメタルゲートが堆積される（ステップＳ４６）。
また、上記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基板Ｗの冷却速度を高めることができる。
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、界面層膜１０２についても二酸化ケイ素以外のものを使用することがある。
また、上記実施形態においては、ＩＧＢＴ９６によってフラッシュランプＦＬの発光を制御するようにしていたが、ＩＧＢＴ９６は必ずしも必須の要素ではない。ＩＧＢＴ９６を用いなくても、コンデンサ９３への印加電圧やコイル９４のインダクタンスによってフラッシュランプＦＬの照射条件を調整することができる。
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
１０１ 基材
１０２ 界面層膜
１０３ 高誘電率ゲート絶縁膜
１８０ アンモニア供給機構
ＦＬ フラッシュランプ
ＨＬ ハロゲンランプ
Ｗ 基板
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
１０１ 基材
１０２ 界面層膜
１０３ 高誘電率ゲート絶縁膜
１８０ アンモニア供給機構
ＦＬ フラッシュランプ
ＨＬ ハロゲンランプ
Ｗ 基板
Claims (6)
- 基板にゲートを形成するゲート形成方法であって、
基材上に界面層膜を形成する第１成膜工程と、
前記界面層膜の上に高誘電率膜を形成する第２成膜工程と、
前記高誘電率膜の上にメタルゲートを堆積する第１堆積工程と、
アンモニア雰囲気中にて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および前記メタルゲートを加熱するフラッシュ照射工程と、
前記メタルゲートの上にさらにメタルゲートを堆積する第２堆積工程と、
を備えることを特徴とするゲート形成方法。 - 請求項１記載のゲート形成方法において、
前記フラッシュ照射工程では、分光分布にて波長２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内にピークを有するフラッシュ光を照射することを特徴とするゲート形成方法。 - 請求項１記載のゲート形成方法において、
前記フラッシュ照射工程では、分光分布にて波長５００ｎｍに対する波長３００ｎｍの相対強度が２０％以上であるフラッシュ光を照射することを特徴とするゲート形成方法。 - 基材上に界面層膜を挟み込んで高誘電率膜が成膜され、さらに前記高誘電率膜の上にメタルゲートが堆積された基板を加熱する熱処理方法であって、
前記基板をチャンバー内に収容する収容工程と、
前記チャンバー内にアンモニアを供給してアンモニア雰囲気を形成する雰囲気形成工程と、
前記チャンバー内に収容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および前記メタルゲートを加熱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４記載の熱処理方法において、
前記フラッシュ照射工程では、分光分布にて波長２００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内にピークを有する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４記載の熱処理方法において、
前記フラッシュ照射工程では、分光分布にて波長５００ｎｍに対する波長３００ｎｍの相対強度が２０％以上であるフラッシュ光を照射することを特徴とする熱処理方法。
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