JP7169212B2 - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

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本発明は、高誘電率膜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および熱処理装置に関する。
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。また、堆積直後の高誘電率膜には成膜時に混入した炭素や塩素等の不純物が残留している。このため、堆積された高誘電率膜を高温でアニールして欠陥を回復させて膜を緻密化するとともに不純物を脱離させる必要があるが、高温で長時間のアニール処理を行うと高誘電率膜から酸素が抜けて新たな点欠陥を形成するなどの種々の問題が生じる。そこで、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かつ高温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２０１７－０４５９８２号公報
しかしながら、フラッシュ加熱処理によって極短時間の高温加熱処理を行った場合であってもなお高誘電率膜から酸素が抜けて点欠陥を形成する問題が残ることが判明している。特に、特許文献１に開示されるように、アンモニア雰囲気でフラッシュ加熱処理を行うと、還元雰囲気中で高誘電率膜が高温に加熱されることとなるため、酸素がより抜けやすくなる。高誘電率膜が酸素が脱離して点欠陥が形成されると、その点欠陥がキャリア（電子または正孔）をトラップする欠陥になるだけでなく、酸素はイオン（Ｏ２－）として脱離するために高誘電率膜中に正電荷が残存した状態になるという問題も発生する。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高誘電率膜中の酸素の欠損を解消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、連続点灯ランプからの光照射によって前記基板を予備加熱する予備加熱工程と、フラッシュランプから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加熱する成膜後加熱工程と、前記成膜後加熱工程の後、酸化雰囲気中にて前記基板を加熱する追加加熱工程と、を備え、前記予備加熱工程および前記成膜後加熱工程は、アンモニア雰囲気中で実行され、前記追加加熱工程では、処理空間を減圧して前記処理空間からアンモニアを排出した後、大気圧の前記酸化雰囲気に置換され、前記追加加熱工程では、前記基板を３００℃以上５００℃以下にて１秒以上１００秒以下加熱す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、前記酸化雰囲気は、酸素、オゾンまたは窒素酸化物を含む雰囲気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、前記追加加熱工程では、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を５００℃以上に１秒以下加熱することを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記成膜後加熱工程と前記追加加熱工程とは同一のチャンバーにて行うことを特徴とする。
また、請求項５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装置において、前記基板を収容するチャンバーと、前記チャンバーに収容された前記基板に光を照射して加熱する連続点灯ランプと、前記チャンバーに収容された前記基板の表面にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、前記チャンバー内に処理ガスを供給して酸化雰囲気を形成するガス供給部と、前記チャンバー内の処理ガスを排気する排気部と、を備え、前記連続点灯ランプからの光照射および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アンモニア雰囲気中で前記高誘電率膜を加熱した後、前記排気部のバルブを開放したまま前記ガス供給部のバルブを閉止して前記チャンバー内の処理空間を減圧することで前記処理空間からアンモニアを含む処理ガスを排出し、前記ガス供給部のバルブを開放して前記処理空間に酸化雰囲気を形成する処理ガスを供給することで前記処理空間を前記アンモニア雰囲気から大気圧の前記酸化雰囲気に置換し、前記酸化雰囲気中にて前記基板の追加加熱を行い、前記追加加熱では、前記基板を３００℃以上５００℃以下にて１秒以上１００秒以下加熱することを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項５の発明に係る熱処理装置において、前記ガス供給部は、前記チャンバー内に酸素、オゾンまたは窒素酸化物を含む処理ガスを供給して酸化雰囲気を形成することを特徴とする。
また、請求項７の発明は、請求項５または請求項６の発明に係る熱処理装置において、前記追加加熱では、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を５００℃以上に１秒以下加熱することを特徴とする。
請求項１から請求項４の発明によれば、成膜後加熱工程の後、酸化雰囲気中にて基板を加熱するため、成膜後熱工程にて酸素の脱離によって高誘電率膜に欠損が生じたとしても、高誘電率膜を酸化して高誘電率膜中の酸素の欠損を解消することができる。
特に、請求項３の発明によれば、追加加熱工程では、フラッシュランプからのフラッシュ光照射によって基板の表面を５００℃以上に１秒以下加熱するため、高誘電率膜中の複合欠陥をも解消することができる。
請求項５から請求項７の発明によれば、フラッシュランプからのフラッシュ光照射によって高誘電率膜を加熱した後、酸化雰囲気中にて基板の追加加熱を行うため、フラッシュ光照射による酸素の脱離によって高誘電率膜に欠損が生じたとしても、高誘電率膜を酸化して高誘電率膜中の酸素の欠損を解消することができる。
特に、請求項７の発明によれば、追加加熱では、フラッシュランプからのフラッシュ光照射によって基板の表面を５００℃以上に１秒以下加熱するため、高誘電率膜中の複合欠陥をも解消することができる。
本発明に係る熱処理装置を示す平面図である。 図１の熱処理装置の正面図である。 熱処理部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。 サセプタの平面図である。 サセプタの断面図である。 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。 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実施形態の半導体ウェハーに対する加熱処理の手順を示すフローチャートである。 第１実施形態の半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 第２実施形態の半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 第３実施形態の熱処理装置を示す平面図である。 第３実施形態の半導体ウェハーに対する加熱処理の手順を示すフローチャートである。 第４実施形態の半導体ウェハーに対する加熱処理の手順を示すフローチャートである。
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＞
まず、本発明に係る熱処理装置の全体構成について説明する。図１は、本発明に係る熱処理装置１００を示す平面図であり、図２はその正面図である。熱処理装置１００は基板として円板形状の半導体ウェハーＷにフラッシュ光を照射し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。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。また、図１～図３の各図においては、それらの方向関係を明確にするためＺ軸方向を鉛直方向とし、ＸＹ平面を水平面とするＸＹＺ直交座標系を付している。
図１および図２に示すように、熱処理装置１００は、未処理の半導体ウェハーＷを外部から装置内に搬入するとともに処理済みの半導体ウェハーＷを装置外に搬出するためのインデクサ部１０１、未処理の半導体ウェハーＷの位置決めを行うアライメント部２３０、加熱処理後の半導体ウェハーＷの冷却を行う２つの冷却部１３０，１４０、半導体ウェハーＷにフラッシュ加熱処理を施す熱処理部１６０並びに冷却部１３０，１４０および熱処理部１６０に対して半導体ウェハーＷの受け渡しを行う搬送ロボット１５０を備える。また、熱処理装置１００は、上記の各処理部に設けられた動作機構および搬送ロボット１５０を制御して半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱処理を進行させる制御部３を備える。
インデクサ部１０１は、複数のキャリアＣ（本実施形態では２個）を並べて載置するロードポート１１０と、各キャリアＣから未処理の半導体ウェハーＷを取り出すとともに、各キャリアＣに処理済みの半導体ウェハーＷを収納する受渡ロボット１２０とを備えている。未処理の半導体ウェハーＷを収容したキャリアＣは無人搬送車（ＡＧＶ、ＯＨＴ）等によって搬送されてロードポート１１０に載置されるともに、処理済みの半導体ウェハーＷを収容したキャリアＣは無人搬送車によってロードポート１１０から持ち去られる。
また、ロードポート１１０においては、受渡ロボット１２０がキャリアＣに対して任意の半導体ウェハーＷの出し入れを行うことができるように、キャリアＣが図２の矢印ＣＵにて示す如く昇降移動可能に構成されている。なお、キャリアＣの形態としては、半導体ウェハーＷを密閉空間に収納するＦＯＵＰ(front opening unified pod)の他に、ＳＭＩＦ(Standard Mechanical Inter Face)ポッドや収納した半導体ウェハーＷを外気に曝すＯＣ(open cassette)であっても良い。
また、受渡ロボット１２０は、図１の矢印１２０Ｓにて示すようなスライド移動、矢印１２０Ｒにて示すような旋回動作および昇降動作が可能とされている。これにより、受渡ロボット１２０は、２つのキャリアＣに対して半導体ウェハーＷの出し入れを行うとともに、アライメント部２３０および２つの冷却部１３０，１４０に対して半導体ウェハーＷの受け渡しを行う。受渡ロボット１２０によるキャリアＣに対する半導体ウェハーＷの出し入れは、ハンド１２１のスライド移動、および、キャリアＣの昇降移動により行われる。また、受渡ロボット１２０とアライメント部２３０または冷却部１３０，１４０との半導体ウェハーＷの受け渡しは、ハンド１２１のスライド移動、および、受渡ロボット１２０の昇降動作によって行われる。
アライメント部２３０は、Ｙ軸方向に沿ったインデクサ部１０１の側方に接続されて設けられている。アライメント部２３０は、半導体ウェハーＷを水平面内で回転させてフラッシュ加熱に適切な向きに向ける処理部である。アライメント部２３０は、アルミニウム合金製の筐体であるアライメントチャンバー２３１の内部に、半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持して回転させる機構、および、半導体ウェハーＷの周縁部に形成されたノッチやオリフラ等を光学的に検出する機構などを設けて構成される。
アライメント部２３０への半導体ウェハーＷの受け渡しは受渡ロボット１２０によって行われる。受渡ロボット１２０からアライメントチャンバー２３１へはウェハー中心が所定の位置に位置するように半導体ウェハーＷが渡される。アライメント部２３０では、インデクサ部１０１から受け取った半導体ウェハーＷの中心部を回転中心として鉛直方向軸まわりで半導体ウェハーＷを回転させ、ノッチ等を光学的に検出することによって半導体ウェハーＷの向きを調整する。向き調整の終了した半導体ウェハーＷは受渡ロボット１２０によってアライメントチャンバー２３１から取り出される。
搬送ロボット１５０による半導体ウェハーＷの搬送空間として搬送ロボット１５０を収容する搬送チャンバー１７０が設けられている。その搬送チャンバー１７０の三方に熱処理部１６０の処理チャンバー６、冷却部１３０の第１クールチャンバー１３１および冷却部１４０の第２クールチャンバー１４１が連通接続されている。
熱処理装置１００の主要部である熱処理部１６０は、予備加熱を行った半導体ウェハーＷにキセノンフラッシュランプＦＬからの閃光（フラッシュ光）を照射してフラッシュ加熱処理を行う基板処理部である。この熱処理部１６０の構成についてはさらに後述する。
２つの冷却部１３０，１４０は、概ね同様の構成を備える。冷却部１３０，１４０はそれぞれ、アルミニウム合金製の筐体である第１クールチャンバー１３１，第２クールチャンバー１４１の内部に、金属製の冷却プレートと、その上面に載置された石英板とを備える（いずれも図示省略）。当該冷却プレートは、ペルチェ素子または恒温水循環によって常温（約２３℃）に温調されている。熱処理部１６０にてフラッシュ加熱処理が施された半導体ウェハーＷは、第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に搬入されて当該石英板に載置されて冷却される。
第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１はともに、インデクサ部１０１と搬送チャンバー１７０との間にて、それらの双方に接続されている。第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１には、半導体ウェハーＷを搬入出するための２つの開口が形設されている。第１クールチャンバー１３１の２つの開口のうちインデクサ部１０１に接続される開口はゲートバルブ１８１によって開閉可能とされている。一方、第１クールチャンバー１３１の搬送チャンバー１７０に接続される開口はゲートバルブ１８３によって開閉可能とされている。すなわち、第１クールチャンバー１３１とインデクサ部１０１とはゲートバルブ１８１を介して接続され、第１クールチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０とはゲートバルブ１８３を介して接続されている。
インデクサ部１０１と第１クールチャンバー１３１との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う際には、ゲートバルブ１８１が開放される。また、第１クールチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う際には、ゲートバルブ１８３が開放される。ゲートバルブ１８１およびゲートバルブ１８３が閉鎖されているときには、第１クールチャンバー１３１の内部が密閉空間となる。
また、第２クールチャンバー１４１の２つの開口のうちインデクサ部１０１に接続される開口はゲートバルブ１８２によって開閉可能とされている。一方、第２クールチャンバー１４１の搬送チャンバー１７０に接続される開口はゲートバルブ１８４によって開閉可能とされている。すなわち、第２クールチャンバー１４１とインデクサ部１０１とはゲートバルブ１８２を介して接続され、第２クールチャンバー１４１と搬送チャンバー１７０とはゲートバルブ１８４を介して接続されている。
インデクサ部１０１と第２クールチャンバー１４１との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う際には、ゲートバルブ１８２が開放される。また、第２クールチャンバー１４１と搬送チャンバー１７０との間で半導体ウェハーＷの受け渡しを行う際には、ゲートバルブ１８４が開放される。ゲートバルブ１８２およびゲートバルブ１８４が閉鎖されているときには、第２クールチャンバー１４１の内部が密閉空間となる。
さらに、冷却部１３０，１４０はそれぞれ、第１クールチャンバー１３１，第２クールチャンバー１４１に清浄な窒素ガスを供給するガス供給機構とチャンバー内の雰囲気を排気する排気機構とを備える。これらのガス供給機構および排気機構は、流量を２段階に切り換え可能とされていても良い。
搬送チャンバー１７０に設けられた搬送ロボット１５０は、鉛直方向に沿った軸を中心に矢印１５０Ｒにて示すように旋回可能とされる。搬送ロボット１５０は、複数のアームセグメントからなる２つのリンク機構を有し、それら２つのリンク機構の先端にはそれぞれ半導体ウェハーＷを保持する搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂが設けられている。これらの搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂは上下に所定のピッチだけ隔てて配置され、リンク機構によりそれぞれ独立して同一水平方向に直線的にスライド移動可能とされている。また、搬送ロボット１５０は、２つのリンク機構が設けられるベースを昇降移動することにより、所定のピッチだけ離れた状態のまま２つの搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂを昇降移動させる。
搬送ロボット１５０が第１クールチャンバー１３１、第２クールチャンバー１４１または熱処理部１６０の処理チャンバー６を受け渡し相手として半導体ウェハーＷの受け渡し（出し入れ）を行う際には、まず、両搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂが受け渡し相手と対向するように旋回し、その後（または旋回している間に）昇降移動していずれかの搬送ハンドが受け渡し相手と半導体ウェハーＷを受け渡しする高さに位置する。そして、搬送ハンド１５１ａ（１５１ｂ）を水平方向に直線的にスライド移動させて受け渡し相手と半導体ウェハーＷの受け渡しを行う。
搬送ロボット１５０と受渡ロボット１２０との半導体ウェハーＷの受け渡しは冷却部１３０，１４０を介して行うことができる。すなわち、冷却部１３０の第１クールチャンバー１３１および冷却部１４０の第２クールチャンバー１４１は、搬送ロボット１５０と受渡ロボット１２０との間で半導体ウェハーＷを受け渡すためのパスとしても機能するものである。具体的には、搬送ロボット１５０または受渡ロボット１２０のうちの一方が第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に渡した半導体ウェハーＷを他方が受け取ることによって半導体ウェハーＷの受け渡しが行われる。搬送ロボット１５０および受渡ロボット１２０によって半導体ウェハーＷをキャリアＣから熱処理部１６０にまで搬送する搬送機構が構成される。
上述したように、第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１とインデクサ部１０１との間にはそれぞれゲートバルブ１８１，１８２が設けられている。また、搬送チャンバー１７０と第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１との間にはそれぞれゲートバルブ１８３，１８４が設けられている。さらに、搬送チャンバー１７０と熱処理部１６０の処理チャンバー６との間にはゲートバルブ１８５が設けられている。熱処理装置１００内にて半導体ウェハーＷが搬送される際には、適宜これらのゲートバルブが開閉される。また、搬送チャンバー１７０およびアライメントチャンバー２３１にもガス供給部から窒素ガスが供給されるとともに、それらの内部の雰囲気が排気部によって排気される（いずれも図示省略）。
次に、熱処理部１６０の構成について説明する。図３は、熱処理部１６０の構成を示す縦断面図である。熱処理部１６０は、半導体ウェハーＷを収容して加熱処理を行う処理チャンバー６と、複数のフラッシュランプＦＬを内蔵するフラッシュランプハウス５と、複数のハロゲンランプＨＬを内蔵するハロゲンランプハウス４と、を備える。処理チャンバー６の上側にフラッシュランプハウス５が設けられるとともに、下側にハロゲンランプハウス４が設けられている。また、熱処理部１６０は、処理チャンバー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と搬送ロボット１５０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。
処理チャンバー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。処理チャンバー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、フラッシュランプＦＬから出射されたフラッシュ光を処理チャンバー６内に透過する石英窓として機能する。また、処理チャンバー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、ハロゲンランプＨＬからの光を処理チャンバー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。処理チャンバー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、処理チャンバー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、処理チャンバー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、チャンバー側部６１には、処理チャンバー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を閉鎖すると処理チャンバー６内の熱処理空間６５が密閉空間とされる。
また、処理チャンバー６の内壁上部には熱処理空間６５に処理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は処理チャンバー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は処理ガス供給源８５に接続されている。また、ガス供給管８３の経路途中にはバルブ８４が介挿されている。バルブ８４が開放されると、処理ガス供給源８５から緩衝空間８２に処理ガスが送給される。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。処理ガスとしては、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）等の不活性ガス、または、アンモニア（ＮＨ３）、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、或いはそれらの混合ガスを用いることができる。
一方、処理チャンバー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は処理チャンバー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、処理チャンバー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。
排気部１９０は、排気ポンプを備える。排気部１９０を作動させつつ、バルブ８９を開放することによって、処理チャンバー６内の雰囲気がガス排気管８８から排気部１９０へと排出される。ガス供給孔８１から何らのガス供給を行うことなく、排気部１９０によって密閉空間である熱処理空間６５の雰囲気を排気すると、処理チャンバー６内を大気圧未満の気圧に減圧することができる。
図４は、保持部７の全体外観を示す斜視図である。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は円環形状から一部が欠落した円弧形状の石英部材である。この欠落部分は、後述する移載機構１０の移載アーム１１と基台リング７１との干渉を防ぐために設けられている。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、処理チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図３参照）。基台リング７１の上面に、その円環形状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。
サセプタ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。図５は、サセプタ７４の平面図である。また、図６は、サセプタ７４の断面図である。サセプタ７４は、保持プレート７５、ガイドリング７６および複数の基板支持ピン７７を備える。保持プレート７５は、石英にて形成された略円形の平板状部材である。保持プレート７５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、保持プレート７５は、半導体ウェハーＷよりも大きな平面サイズを有する。
保持プレート７５の上面周縁部にガイドリング７６が設置されている。ガイドリング７６は、半導体ウェハーＷの直径よりも大きな内径を有する円環形状の部材である。例えば、半導体ウェハーＷの直径がφ３００ｍｍの場合、ガイドリング７６の内径はφ３２０ｍｍである。ガイドリング７６の内周は、保持プレート７５から上方に向けて広くなるようなテーパ面とされている。ガイドリング７６は、保持プレート７５と同様の石英にて形成される。ガイドリング７６は、保持プレート７５の上面に溶着するようにしても良いし、別途加工したピンなどによって保持プレート７５に固定するようにしても良い。或いは、保持プレート７５とガイドリング７６とを一体の部材として加工するようにしても良い。
保持プレート７５の上面のうちガイドリング７６よりも内側の領域が半導体ウェハーＷを保持する平面状の保持面７５ａとされる。保持プレート７５の保持面７５ａには、複数の基板支持ピン７７が立設されている。本実施形態においては、保持面７５ａの外周円（ガイドリング７６の内周円）と同心円の周上に沿って３０°毎に計１２個の基板支持ピン７７が立設されている。１２個の基板支持ピン７７を配置した円の径（対向する基板支持ピン７７間の距離）は半導体ウェハーＷの径よりも小さく、半導体ウェハーＷの径がφ３００ｍｍであればφ２７０ｍｍ～φ２８０ｍｍ（本実施形態ではφ２７０ｍｍ）である。それぞれの基板支持ピン７７は石英にて形成されている。複数の基板支持ピン７７は、保持プレート７５の上面に溶接によって設けるようにしても良いし、保持プレート７５と一体に加工するようにしても良い。
図４に戻り、基台リング７１に立設された４個の連結部７２とサセプタ７４の保持プレート７５の周縁部とが溶接によって固着される。すなわち、サセプタ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いる。このような保持部７の基台リング７１が処理チャンバー６の壁面に支持されることによって、保持部７が処理チャンバー６に装着される。保持部７が処理チャンバー６に装着された状態においては、サセプタ７４の保持プレート７５は水平姿勢（法線が鉛直方向と一致する姿勢）となる。すなわち、保持プレート７５の保持面７５ａは水平面となる。
処理チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷは、処理チャンバー６に装着された保持部７のサセプタ７４の上に水平姿勢にて載置されて保持される。このとき、半導体ウェハーＷは保持プレート７５上に立設された１２個の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。より厳密には、１２個の基板支持ピン７７の上端部が半導体ウェハーＷの下面に接触して当該半導体ウェハーＷを支持する。１２個の基板支持ピン７７の高さ（基板支持ピン７７の上端から保持プレート７５の保持面７５ａまでの距離）は均一であるため、１２個の基板支持ピン７７によって半導体ウェハーＷを水平姿勢に支持することができる。
また、半導体ウェハーＷは複数の基板支持ピン７７によって保持プレート７５の保持面７５ａから所定の間隔を隔てて支持されることとなる。基板支持ピン７７の高さよりもガイドリング７６の厚さの方が大きい。従って、複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの水平方向の位置ずれはガイドリング７６によって防止される。
また、図４および図５に示すように、サセプタ７４の保持プレート７５には、上下に貫通して開口部７８が形成されている。開口部７８は、放射温度計２０（図３参照）がサセプタ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。すなわち、放射温度計２０が開口部７８を介してサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から放射された光を受光してその半導体ウェハーＷの温度を測定する。さらに、サセプタ７４の保持プレート７５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７は、移載機構１０の平面図である。また、図８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７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７の二点鎖線位置）との間で水平移動させる。移載動作位置はサセプタ７４の下方であり、退避位置はサセプタ７４よりも外方である。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７４に穿設された貫通孔７９（図４，５参照）を通過し、リフトピン１２の上端がサセプタ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８に示すように、昇降機構１４の一部（水平移動機構１３を昇降させる駆動部分）は伸縮自在のベローズ１５によって覆われている。昇降機構１４が一対の移載アーム１１を上昇させたときにはベローズ１５が伸張し、昇降機構１４が移載アーム１１を下降させたときにはベローズ１５が収縮する。ベローズ１５によって覆うことにより、昇降機構１４の駆動に起因して発生したパーティクルが処理チャンバー６内の熱処理空間６５に飛散するのを防止することができる。ベローズ１５の外側の近傍にはガスノズル１９が設けられている。ガスノズル１９は、図示省略のガス供給機構から供給された窒素ガスをベローズ１５に吹き付ける。ベローズ１５の外側近傍はガス滞留部位となりやすいのであるが、ガスノズル１９から窒素ガスを吹き付けることによってベローズ１５近傍のガス滞留部位からガスを放散させることができる。
図３に戻り、処理チャンバー６の上方に設けられたフラッシュランプハウス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、フラッシュランプハウス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。フラッシュランプハウス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。フラッシュランプハウス５が処理チャンバー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は処理チャンバー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。
処理チャンバー６の下方に設けられたハロゲンランプハウス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。複数のハロゲンランプＨＬは処理チャンバー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への光照射を行う。
図９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９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、ハロゲンランプＨＬ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。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、ハロゲンランプハウス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３）。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。
上記の構成以外にも熱処理部１６０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ランプハウス４、フラッシュランプハウス５および処理チャンバー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、処理チャンバー６の壁体には水冷管（図示省略）が設けられている。また、ハロゲンランプハウス４およびフラッシュランプハウス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、フラッシュランプハウス５および上側チャンバー窓６３を冷却する。
制御部３は、熱処理装置１００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１００における処理が進行する。なお、図１においては、インデクサ部１０１内に制御部３を示しているが、これに限定されるものではなく、制御部３は熱処理装置１００内の任意の位置に配置することができる。
次に、熱処理装置１００における処理動作について説明する。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シリコンの半導体基板である。図１０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５０１上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）５０２が形成されている。シリコン酸化膜５０２はシリコンの基材５０１と高誘電率膜５０３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５０２の膜厚は極めて薄く、例えば約１ｎｍである。シリコン酸化膜５０２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５０２の上にゲート絶縁膜としての高誘電率膜５０３が形成されている。高誘電率膜５０３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５０３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５０２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５０２上に堆積される高誘電率膜５０３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、比較的低温で堆積されたまま特段の処理を受けていない高誘電率膜５０３中には多数の点欠陥等の欠陥および不純物が存在している。なお、図１０に示す構造では、高誘電率膜５０３の両側方にＳｉＮのサイドウォール５０４が形成されているが、このサイドウォール５０４は、例えばゲートラストプロセスでは高誘電率膜５０３よりも先に形成されている。また、熱処理装置１００による加熱処理の終了後に、高誘電率膜５０３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１０に示すようなシリコンの基材５０１上にシリコン酸化膜５０２を挟み込んで高誘電率膜５０３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１００によって行われる。以下に説明する手順は、磁気ディスク等の記憶部に格納されたレシピに従って制御部３が熱処理装置１００の各動作機構を制御することにより進行する。レシピとは、半導体ウェハーＷに対する熱処理の処理手順および処理条件を規定したものである。
まず、高誘電率膜が形成された未処理の半導体ウェハーＷがキャリアＣに複数枚収容された状態でインデクサ部１０１のロードポート１１０に載置される。そして、受渡ロボット１２０がキャリアＣから未処理の半導体ウェハーＷを１枚ずつ取り出し、アライメント部２３０のアライメントチャンバー２３１に搬入する。アライメントチャンバー２３１では、半導体ウェハーＷをその中心部を回転中心として水平面内にて鉛直方向軸まわりで回転させ、ノッチ等を光学的に検出することによって半導体ウェハーＷの向きを調整する。
次に、インデクサ部１０１の受渡ロボット１２０がアライメントチャンバー２３１から向きの調整された半導体ウェハーＷを取り出し、冷却部１３０の第１クールチャンバー１３１または冷却部１４０の第２クールチャンバー１４１に搬入する。第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に搬入された未処理の半導体ウェハーＷは搬送ロボット１５０によって搬送チャンバー１７０に搬出される。未処理の半導体ウェハーＷがインデクサ部１０１から第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１を経て搬送チャンバー１７０に移送される際には、第１クールチャンバー１３１および第２クールチャンバー１４１は半導体ウェハーＷの受け渡しのためのパスとして機能するのである。
半導体ウェハーＷを取り出した搬送ロボット１５０は熱処理部１６０を向くように旋回する。続いて、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を開放し、搬送ロボット１５０が未処理の半導体ウェハーＷを処理チャンバー６に搬入する。このときに、先行する加熱処理済みの半導体ウェハーＷが処理チャンバー６に存在している場合には、搬送ハンド１５１ａ，１５１ｂの一方によって加熱処理後の半導体ウェハーＷを取り出してから未処理の半導体ウェハーＷを処理チャンバー６に搬入してウェハー入れ替えを行う。その後、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。
処理チャンバー６に搬入された半導体ウェハーＷには、所定の雰囲気中にてハロゲンランプＨＬおよびフラッシュランプＦＬによって加熱処理が行われる。熱処理部１６０の処理チャンバー６における半導体ウェハーＷの加熱処理の内容については後に詳述する。
処理チャンバー６における加熱処理が終了した後、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を再び開放し、搬送ロボット１５０が処理チャンバー６から加熱処理後の半導体ウェハーＷを搬送チャンバー１７０に搬出する。半導体ウェハーＷを取り出した搬送ロボット１５０は、処理チャンバー６から第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１に向くように旋回する。また、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。
その後、搬送ロボット１５０が加熱処理後の半導体ウェハーＷを冷却部１３０の第１クールチャンバー１３１または冷却部１４０の第２クールチャンバー１４１に搬入する。このとき、当該半導体ウェハーＷが加熱処理前に第１クールチャンバー１３１を通ってきている場合には加熱処理後にも第１クールチャンバー１３１に搬入され、加熱処理前に第２クールチャンバー１４１を通ってきている場合には加熱処理後にも第２クールチャンバー１４１に搬入される。第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１では、加熱処理後の半導体ウェハーＷの冷却処理が行われる。熱処理部１６０の処理チャンバー６から搬出された時点での半導体ウェハーＷ全体の温度は比較的高温であるため、これを第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１にて常温近傍にまで冷却するのである。
所定の冷却処理時間が経過した後、受渡ロボット１２０が冷却後の半導体ウェハーＷを第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１から搬出し、キャリアＣへと返却する。キャリアＣに所定枚数の処理済み半導体ウェハーＷが収容されると、そのキャリアＣはインデクサ部１０１のロードポート１１０から搬出される。
熱処理部１６０における加熱処理について説明を続ける。図１１は、第１実施形態の半導体ウェハーＷに対する加熱処理の手順を示すフローチャートである。まず、ゲートバルブ１８５が開いて搬送開口部６６が開放され、搬送ロボット１５０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が処理チャンバー６内の熱処理空間６５に搬入される（ステップＳ１１）。搬送ロボット１５０は、未処理の半導体ウェハーＷを保持する搬送ハンド１５１ａ（または搬送ハンド１５１ｂ）を保持部７の直上位置まで進出させて停止させる。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７４の保持プレート７５の上面から突き出て半導体ウェハーＷを受け取る。このとき、リフトピン１２は基板支持ピン７７の上端よりも上方にまで上昇する。
未処理の半導体ウェハーＷがリフトピン１２に載置された後、搬送ロボット１５０が搬送ハンド１５１ａを熱処理空間６５から退出させ、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７４に受け渡されて水平姿勢にて下方より保持される。半導体ウェハーＷは、保持プレート７５上に立設された複数の基板支持ピン７７によって支持されてサセプタ７４に保持される。また、半導体ウェハーＷは、高誘電率膜５０３が形成された表面を上面として保持部７に保持される。複数の基板支持ピン７７によって支持された半導体ウェハーＷの裏面（表面とは反対側の主面）と保持プレート７５の保持面７５ａとの間には所定の間隔が形成される。サセプタ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が処理チャンバー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、処理チャンバー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、処理チャンバー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。これにより、処理チャンバー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、処理チャンバー６内の熱処理空間６５が大気圧未満に減圧される。処理チャンバー６からの排気は、初期段階では比較的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るようにしても良い。このようにすれば、処理チャンバー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。
処理チャンバー６の圧力（真空度）が所定圧（例えば、約１００Ｐａ）に到達した後、給気のためのバルブ８４を開放し、処理ガス供給源８５から処理チャンバー６内の熱処理空間６５にアンモニアを含む処理ガス供給する。その結果、処理チャンバー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（ステップＳ１２）。アンモニア雰囲気中におけるアンモニアの濃度は、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、例えば１００％であっても良い。
処理チャンバー６内にアンモニアが供給されることによって、処理チャンバー６内の圧力が上昇して例えば約５０００Ｐａにまで復圧する。処理チャンバー６内にアンモニア雰囲気が形成された後、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（ステップＳ１３）。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７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面に照射される。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が予備加熱されて温度が上昇する。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１２は、第１実施形態の半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。時刻ｔ１にハロゲンランプＨＬが点灯して予備加熱が開始されて半導体ウェハーＷが昇温し始める。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の温度が放射温度計２０によって測定されている。すなわち、サセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの下面から開口部７８を介して放射された赤外光を放射温度計２０が受光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、放射温度計２０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。
時刻ｔ２に半導体ウェハー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、放射温度計２０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、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、ハロゲンランプハウス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。
次に、半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ１に到達してから所定時間が経過した時刻ｔ３にフラッシュランプＦＬがサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光照射を行う（ステップＳ１４）。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処理チャンバー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処理チャンバー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。そして、高誘電率膜５０３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５０３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(ＰＤＡ:Post Deposition Anneal)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。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。
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５０３の窒化が促進されるとともに、高誘電率膜５０３中に存在していた点欠陥等の欠陥が消滅して高誘電率膜５０３が緻密化する。また、約５０００Ｐａの減圧下にて半導体ウェハーＷの表面が処理温度Ｔ２にまで加熱されることにより、高誘電率膜５０３に残留していた炭素や塩素等の不純物が膜外に脱離する。半導体ウェハーＷの表面が比較的高温の処理温度Ｔ２に長時間加熱されると、高誘電率膜５０３から酸素が抜けて新たな点欠陥が形成されるおそれがあるため、フラッシュ光照射による極めて短時間のフラッシュ加熱は好適である。
さらに、アンモニア雰囲気中にて高誘電率膜５０３を含む半導体ウェハーＷの表面が比較的高温に加熱されることにより、高誘電率膜５０３とシリコン酸化膜５０２との界面に存在していた欠陥が窒素によって終端されるとともに、シリコン酸化膜５０２とシリコン基材５０１との界面の欠陥は水素によって終端される。このときに、窒素がシリコン酸化膜５０２とシリコン基材５０１との界面にまで到達すると逆効果となるのであるが、フラッシュ光照射による極めて短時間のフラッシュ加熱であれば、水素よりも拡散速度の遅い窒素はシリコン酸化膜５０２とシリコン基材５０１との界面にまでは到達しない。
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が終了して所定時間が経過した後にハロゲンランプＨＬも一旦消灯し、半導体ウェハーＷが予備加熱温度Ｔ１からも降温する。また、フラッシュ光照射後には、制御部３がバルブ８９を開放したままバルブ８４を閉止して処理チャンバー６内を再び約１００Ｐａにまで減圧する。これにより、処理チャンバー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。このとき、移載機構１０のベローズ１５の周辺はガス滞留部位となってアンモニアが残留しやすいのであるが、ガスノズル１９からベローズ１５に窒素ガスを吹き付けることによってガス滞留部位に残留しているアンモニアを効率良く処理チャンバー６から排出することができる。続いて、制御部３が再度バルブ８４を開放し、処理ガス供給源８５から処理チャンバー６内に酸素ガス（Ｏ２）を供給して熱処理空間６５を大気圧にまで復圧する。すなわち、処理チャンバー６内の熱処理空間６５が減圧のアンモニア雰囲気から大気圧の酸素雰囲気に置換されるのである（ステップＳ１５）。
処理チャンバー６内が酸素雰囲気に置換された後、時刻ｔ４に再びハロゲンランプＨＬが点灯して降温していた半導体ウェハーＷの温度が昇温に転じる。このときにも、制御部３は、放射温度計２０による測定温度に基づいて、半導体ウェハーＷの温度が追加加熱温度Ｔ３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。追加加熱温度Ｔ３は３００℃以上５００℃以下であり、本実施形態では４００℃である。
時刻ｔ５に半導体ウェハーＷの温度が追加加熱温度Ｔ３に到達した時点で制御部３はハロゲンランプＨＬの出力を調整して半導体ウェハーＷの温度を時刻ｔ６まで追加加熱温度Ｔ３に維持する。時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間では、半導体ウェハーＷの追加加熱が実行されることとなる（ステップＳ１６）。半導体ウェハーＷの温度を追加加熱温度Ｔ３に維持している時刻ｔ５から時刻ｔ６までの時間は、１秒以上１００秒以下である。すなわち、成膜後熱処理が実行された後の追加加熱では、半導体ウェハーＷの温度を３００℃以上５００℃以下の追加加熱温度Ｔ３に１秒以上１００秒以下維持しているのである。
酸素雰囲気中にて半導体ウェハーＷの温度が追加加熱温度Ｔ３に維持されて追加加熱処理が実行されると、高誘電率膜５０３が酸化されることとなる。フラッシュ光照射による極短時間のフラッシュ加熱であったとしても成膜後熱処理時に高誘電率膜５０３から酸素が抜けて点欠陥が形成されることがある。特に、本実施形態のように、アンモニア雰囲気中で成膜後熱処理を行っている場合には、還元雰囲気中で高誘電率膜５０３が比較的高温に加熱されることとなるため、高誘電率膜５０３から酸素がより抜けやすい。なお、高誘電率膜５０３を構成するＨｆＯ２はイオン結合性の物質であるため、酸素はイオン（Ｏ２－）として脱離して正電荷を帯びた酸素欠損（ＶＯ２＋）が高誘電率膜５０３中に形成されることとなる。
本実施形態においては、成膜後熱処理の後に酸素雰囲気中にて半導体ウェハーＷの追加加熱処理を行っているため、高誘電率膜５０３が酸化されて酸素欠損が回復されることとなる。その結果、高誘電率膜５０３のゲート絶縁膜としての特性を向上させることができる。
追加加熱温度Ｔ３が３００℃未満であると、酸素が高誘電率膜５０３中を拡散して酸素欠損と結合することが難しくなる。一方、追加加熱温度Ｔ３が５００℃を超えると、高誘電率膜５０３からの酸素の脱離現象が顕著となる。このため、追加加熱温度Ｔ３は３００℃以上５００℃以下としている。なお、追加加熱温度Ｔ３が４００℃を超えるとシリコン酸化膜５０２とシリコン基材５０１との界面からの水素の脱離現象が顕著となるため、追加加熱の加熱時間を比較的長時間とする場合には追加加熱温度Ｔ３を４００℃以下とするのが好ましい。換言すれば、追加加熱温度Ｔ３を５００℃近くにするときには、追加加熱の加熱時間を比較的短時間とする方が好ましい。
追加加熱が終了した時刻ｔ６にハロゲンランプＨＬが消灯して半導体ウェハーＷの温度が追加加熱温度Ｔ３から降温する。また、処理チャンバー６内を再び減圧して酸素を排出した後、処理ガス供給源８５から窒素ガスを供給して処理チャンバー６内を窒素雰囲気に置換する。降温中の半導体ウェハーＷの温度は放射温度計２０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、処理チャンバー６が窒素雰囲気に置換され、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が搬送ロボット１５０の搬送ハンド１５１ｂ（または搬送ハンド１５１ａ）により搬出される。搬送ロボット１５０は、搬送ハンド１５１ｂをリフトピン１２によって突き上げられた半導体ウェハーＷの直下位置にまで進出させて停止させる。そして、一対の移載アーム１１が下降することにより、フラッシュ加熱後の半導体ウェハーＷが搬送ハンド１５１ｂに渡されて載置される。その後、搬送ロボット１５０が搬送ハンド１５１ｂを処理チャンバー６から退出させて処理後の半導体ウェハーＷを搬出する（ステップＳ１７）。
第１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り高誘電率膜５０３の成膜後熱処理を行った後、酸素雰囲気中にて半導体ウェハーＷの追加加熱処理を行っている。成膜後熱処理時に酸素の脱離によって高誘電率膜５０３に欠損が生じたとしても、酸素雰囲気中にて半導体ウェハーＷの追加加熱処理を実行することにより、高誘電率膜５０３を酸化して高誘電率膜５０３中の酸素の欠損を解消することができる。
＜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実施形態と同様である。また、第２実施形態における半導体ウェハーＷの処理手順も第１実施形態と概ね同じである。第１実施形態ではハロゲンランプＨＬからの光照射によって追加加熱を行っていたが、第２実施形態ではフラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射によって追加加熱を実行する。
図１３は、第２実施形態の半導体ウェハーＷの表面温度の変化を示す図である。図１３に示す第２実施形態の半導体ウェハーＷの熱処理パターンが第１実施形態と相違するのは、時刻ｔ７にフラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射によって追加加熱を行っている点である。第２実施形態においても、酸素雰囲気中にてハロゲンランプＨＬからの光照射によって半導体ウェハーＷの温度を時刻ｔ５から時刻ｔ６まで３００℃以上５００℃以下に維持している。そして、時刻ｔ５と時刻ｔ６との間の時刻ｔ７にフラッシュランプＦＬが半導体ウェハーＷの表面にフラッシュ光を照射する。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。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５０３を含む半導体ウェハーＷの表面は瞬間的に温度Ｔ４にまで昇温する。フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面が到達する温度Ｔ４は５００℃以上である。成膜後熱処理におけるフラッシュ加熱と同じく、フラッシュ光照射によって半導体ウェハーＷの表面温度が温度Ｔ４にまで昇温するのに要する時間は１秒未満の極めて短時間である。
成膜後熱処理時に高誘電率膜５０３から酸素が脱離することによって生じる欠陥の一部には複合欠陥（例えば、窒素が関連した欠陥）が含まれることがある。そのような複合欠陥については５００℃以上に加熱しなければ回復しない場合がある。しかし、上述したように、高誘電率膜５０３を５００℃以上に長時間加熱すると高誘電率膜５０３からの酸素の脱離現象が顕著となる。このため、第２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によって、高誘電率膜５０３を含む半導体ウェハーＷの表面を酸素雰囲気中にて１秒以下の極短時間だけ５００℃以上に加熱している。これにより、高誘電率膜５０３からの酸素の脱離を抑制しつつ、高誘電率膜５０３に存在している複合欠陥を解消することができる。なお、時刻ｔ７にフラッシュ光照射によって追加加熱を行う点を除く残余の第２実施形態の熱処理内容は第１実施形態と同じであり、第２実施形態においても第１実施形態と同様の成膜後熱処理が行われている。
＜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１および第２実施形態では成膜後熱処理と追加加熱処理とを同一の処理チャンバー６内にて雰囲気を切り替えることによって行っていたが、第３実施形態においては成膜後熱処理と追加加熱処理とを異なるチャンバーにて実行するようにしている。
図１４は、第３実施形態の熱処理装置１００ａを示す平面図である。同図において、第１実施形態と同一の要素については同一の符合を付している。第３実施形態の熱処理装置１００ａの構成が第１実施形態と相違するのは、冷却部１４０に代えて加熱部２４０を設けている点である。加熱部２４０は、第２クールチャンバー１４１と同様の形状の加熱チャンバー２４１を備える。加熱チャンバー２４１内部には、ヒータを内蔵するホットプレート２４２が設けられる。加熱チャンバー２４１とインデクサ部１０１とはゲートバルブ１８２を介して接続され、加熱チャンバー２４１と搬送チャンバー１７０とはゲートバルブ１８４を介して接続される。
加熱チャンバー２４１には、処理ガス供給源２４５から酸素、オゾン、一酸化窒素、亜酸化窒素、二酸化窒素などの処理ガスが供給可能とされている。また、加熱チャンバー２４１の雰囲気は図示を省略する排気機構によって排気可能とされている。冷却部１４０に代えて加熱部２４０を設けている点を除く残余の熱処理装置１００ａの構成は第１実施形態の熱処理装置１００と同じである。
図１５は、第３実施形態の半導体ウェハーＷに対する加熱処理の手順を示すフローチャートである。図１５のステップＳ２１～Ｓ２４までの工程は第１実施形態（図１１）のステップＳ１１～Ｓ１４までの工程と同じである。すなわち、インデクサ部１０１のキャリアＣから取り出された未処理の半導体ウェハーＷが搬送機構によって処理チャンバー６に搬入される（ステップＳ２１）。但し、第３実施形態では、半導体ウェハーＷはインデクサ部１０１から必ず第１クールチャンバー１３１を通って搬送チャンバー１７０に移送される。半導体ウェハーＷが処理チャンバー６に搬入された後、処理チャンバー６内にアンモニアを含む処理ガスが供給されてアンモニア雰囲気が形成される（ステップＳ２２）。続いて、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の予備加熱が行われ（ステップＳ２３）、その半導体ウェハーＷの表面にフラッシュランプＦＬからフラッシュ光照射を行う（ステップＳ２４）。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光が照射されることにより、高誘電率膜５０３の成膜後熱処理が実行される。
成膜後熱処理が終了した後、ハロゲンランプＨＬが消灯して半導体ウェハーＷの温度が降温する。また、処理チャンバー６内を減圧してアンモニアを排出してから処理チャンバー６内に窒素ガスを供給して窒素雰囲気に置換する。そして、ゲートバルブ１８５が開いて搬送ロボット１５０によって処理チャンバー６から成膜後熱処理後の半導体ウェハーＷが搬出される。半導体ウェハーＷを取り出した搬送ロボット１５０は、処理チャンバー６から加熱部２４０の加熱チャンバー２４１に向くように旋回する。また、ゲートバルブ１８５が処理チャンバー６と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖するとともに、ゲートバルブ１８４が加熱チャンバー２４１と搬送チャンバー１７０との間を開放する。続いて、搬送ロボット１５０が半導体ウェハーＷを加熱チャンバー２４１に搬入してホットプレート２４２に載置する（ステップＳ２５）。
加熱チャンバー２４１に成膜後熱処理後の半導体ウェハーＷが搬入された後、ゲートバルブ１８４が加熱チャンバー２４１と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。続いて、加熱チャンバー２４１から窒素ガスを排出しつつ加熱チャンバー２４１内に酸素ガスを供給して酸素雰囲気を形成する（ステップＳ２６）。
加熱チャンバー２４１内が酸素雰囲気とされた状態で半導体ウェハーＷがホットプレート２４２によって加熱されることにより、半導体ウェハーＷの追加加熱が実行される（ステップＳ２７）。ホットプレート２４２による半導体ウェハーＷの追加加熱温度は第１実施形態と同じく３００℃以上５００℃以下であり、追加加熱時間は１秒以上１００秒以下である。酸素雰囲気中にて半導体ウェハーＷが追加加熱されると、高誘電率膜５０３が酸化される。これにより、高誘電率膜５０３が酸化されて酸素欠損が回復されることとなり、高誘電率膜５０３のゲート絶縁膜としての特性を向上させることができる。
所定時間の追加加熱処理が終了した後、加熱チャンバー２４１内が酸素雰囲気から窒素雰囲気に置換される。そして、再びゲートバルブ１８４が加熱チャンバー２４１と搬送チャンバー１７０との間を開放し、搬送ロボット１５０が追加加熱処理後の半導体ウェハーＷを加熱チャンバー２４１から搬送チャンバー１７０に搬出する（ステップＳ２８）。半導体ウェハーＷを取り出した搬送ロボット１５０は、加熱チャンバー２４１から第１クールチャンバー１３１に向くように旋回する。また、ゲートバルブ１８４が加熱チャンバー２４１と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖するとともに、ゲートバルブ１８３が第１クールチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０との間を開放する。続いて、搬送ロボット１５０が加熱処理後の半導体ウェハーＷを第１クールチャンバー１３１に搬入する。
第１クールチャンバー１３１に半導体ウェハーＷが搬入された後、ゲートバルブ１８３が第１クールチャンバー１３１と搬送チャンバー１７０との間を閉鎖する。第１クールチャンバー１３１では、加熱処理後の半導体ウェハーＷの冷却処理が行われる。半導体ウェハーＷの冷却処理が終了した後、ゲートバルブ１８１が第１クールチャンバー１３１とインデクサ部１０１との間を開放し、受渡ロボット１２０が冷却後の半導体ウェハーＷを第１クールチャンバー１３１からインデクサ部１０１に搬出し、キャリアＣへと返却する。
第３実施形態では、半導体ウェハーＷの成膜後熱処理と追加加熱処理とを異なるチャンバーにて行っている。すなわち、成膜後熱処理は処理チャンバー６にて行い、追加加熱処理は加熱チャンバー２４１にて行っている。第１実施形態では成膜後熱処理と追加加熱処理とを同一の処理チャンバー６にて行っていたが、この場合相互に影響を与えないようにアンモニア雰囲気から酸素雰囲気への切り替えを確実に行う必要がある。具体的には、成膜後熱処理終了後に処理チャンバー６からアンモニアを完全に排出してから酸素ガスを供給する必要がある。第３実施形態においては、成膜後熱処理を処理チャンバー６にて行い、追加加熱処理を加熱チャンバー２４１にて行っているため、処理チャンバー６からアンモニアを完全に排出しなくても確実に雰囲気を切り替えることが可能となる。
＜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実施形態と同様である。第４実施形態においては成膜後熱処理と追加加熱処理とを同時に実行するようにしている。
図１６は、第４実施形態の半導体ウェハーＷに対する加熱処理の手順を示すフローチャートである。まず、第１実施形態と同様に、インデクサ部１０１のキャリアＣから取り出された未処理の半導体ウェハーＷが搬送機構によって処理チャンバー６に搬入される（ステップＳ３１）。
半導体ウェハーＷが処理チャンバー６に搬入された後、第４実施形態においては、処理チャンバー６内に窒素酸化物（一酸化窒素（ＮＯ）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ２）などのＮＯｘ）を含む処理ガスが供給されて窒素酸化物の雰囲気が形成される（ステップＳ３２）。処理チャンバー６内に窒素酸化物を含む雰囲気が形成された後、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の予備加熱が行われる。（ステップＳ３３）。
次に、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半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱を行う（ステップＳ３４）。窒素酸化物を含む雰囲気中にて半導体ウェハーＷのフラッシュ加熱が行われると、高誘電率膜５０３の窒化と酸化とが同時に進行する。すなわち、窒素酸化物を含む雰囲気中で高誘電率膜５０３が加熱されることによって高誘電率膜５０３の窒化が促進されて成膜後熱処理が進行する。それと同時に、窒素酸化物を含む雰囲気中にて高誘電率膜５０３が酸化されて追加加熱処理が行われ、酸素欠損が回復されることとなる。
このような成膜後熱処理と追加加熱処理とを同時に行うフラッシュ加熱が終了した後、ハロゲンランプＨＬが消灯して半導体ウェハーＷの温度が降温する。また、処理チャンバー６内を減圧して窒素酸化物を含む雰囲気を排出してから処理チャンバー６内に窒素ガスを供給して窒素雰囲気に置換する。そして、ゲートバルブ１８５が開いて搬送ロボット１５０によって処理チャンバー６から熱処理後の半導体ウェハーＷが搬出される（ステップＳ３５）。処理チャンバー６から搬出された半導体ウェハーＷは、第１実施形態と同様に、第１クールチャンバー１３１または第２クールチャンバー１４１にて冷却された後、インデクサ部１０１のキャリアＣへと返却される。
第４実施形態においては、窒素酸化物を含む雰囲気中にて１回のフラッシュ光照射を行うことにより、高誘電率膜５０３の窒化と酸化とを同時に行うようにしている。このため、成膜後熱処理を行った後に雰囲気を切り替えて追加加熱処理を行う必要がなく、処理フローを簡素化してスループットを向上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、第１実施形態においては、酸素雰囲気中にて半導体ウェハーＷの追加加熱処理を行っていたが、これに限定されるものではなく、酸素、オゾンまたは窒素酸化物を含む雰囲気中にて追加加熱処理を行うようにしても良い。これらはいずれも酸化性を有しており、酸素、オゾンまたは窒素酸化物を含む雰囲気は酸化性雰囲気である。酸化雰囲気にて追加加熱処理を行えば、第１実施形態と同様に、高誘電率膜５０３を酸化させて酸素欠損を回復させることができる。
また、上記実施形態においては、アンモニア雰囲気中にて半導体ウェハーＷの成膜後熱処理を行っていたが、これに限定されるものではなく、フォーミングガス（水素と窒素との混合ガス）、窒素ガスまたはアルゴン等の不活性ガスの雰囲気中にて成膜後熱処理を行うようにしても良い。
また、酸化雰囲気中にて実行する追加加熱処理は、大気圧よりも高い加圧雰囲気にて行うようにしても良い。加圧雰囲気であれば、酸素等の分圧が高くなり、酸素欠損をより確実に回復させることができる。
また、上記実施形態においては、フラッシュランプハウス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、ハロゲンランプハウス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、上記実施形態においては、１秒以上連続して発光する連続点灯ランプとしてフィラメント方式のハロゲンランプＨＬを用いて半導体ウェハーＷの予備加熱を行っていたが、これに限定されるものではなく、ハロゲンランプＨＬに代えて放電型のアークランプ（例えば、キセノンアークランプ）を連続点灯ランプとして用いて予備加熱を行うようにしても良い。
また、熱処理装置１００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。
３ 制御部
４ ハロゲンランプハウス
５ フラッシュランプハウス
６ 処理チャンバー
７ 保持部
１０ 移載機構
６５ 熱処理空間
７４ サセプタ
８５，２４５ 処理ガス供給源
１００，１００ａ 熱処理装置
１０１ インデクサ部
１２０ 受渡ロボット
１３０，１４０ 冷却部
１５０ 搬送ロボット
１５１ａ，１５１ｂ 搬送ハンド
１６０ 熱処理部
１７０ 搬送チャンバー
１９０ 排気部
２４０ 加熱部
２４１ 加熱チャンバー
２４２ ホットプレート
５０２ シリコン酸化膜
５０３ 高誘電率膜
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 (7)

  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、
    連続点灯ランプからの光照射によって前記基板を予備加熱する予備加熱工程と、
    フラッシュランプから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加熱する成膜後加熱工程と、
    前記成膜後加熱工程の後、酸化雰囲気中にて前記基板を加熱する追加加熱工程と、
    を備え、
    前記予備加熱工程および前記成膜後加熱工程は、アンモニア雰囲気中で実行され、
    前記追加加熱工程では、処理空間を減圧して前記処理空間からアンモニアを排出した後、大気圧の前記酸化雰囲気に置換され、
    前記追加加熱工程では、前記基板を３００℃以上５００℃以下にて１秒以上１００秒以下加熱す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、
    前記酸化雰囲気は、酸素、オゾンまたは窒素酸化物を含む雰囲気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、
    前記追加加熱工程では、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を５００℃以上に１秒以下加熱することを特徴とする熱処理方法。
  4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記成膜後加熱工程と前記追加加熱工程とは同一のチャンバーにて行うことを特徴とする熱処理方法。
  5. 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装置であって、
    前記基板を収容するチャンバーと、
    前記チャンバーに収容された前記基板に光を照射して加熱する連続点灯ランプと、
    前記チャンバーに収容された前記基板の表面にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
    前記チャンバー内に処理ガスを供給して酸化雰囲気を形成するガス供給部と、
    前記チャンバー内の処理ガスを排気する排気部と、
    を備え、
    前記連続点灯ランプからの光照射および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アンモニア雰囲気中で前記高誘電率膜を加熱した後、前記排気部のバルブを開放したまま前記ガス供給部のバルブを閉止して前記チャンバー内の処理空間を減圧することで前記処理空間からアンモニアを含む処理ガスを排出し、前記ガス供給部のバルブを開放して前記処理空間に酸化雰囲気を形成する処理ガスを供給することで前記処理空間を前記アンモニア雰囲気から大気圧の前記酸化雰囲気に置換し、前記酸化雰囲気中にて前記基板の追加加熱を行い、
    前記追加加熱では、前記基板を３００℃以上５００℃以下にて１秒以上１００秒以下加熱することを特徴とする熱処理装置。
  6. 請求項５記載の熱処理装置において、
    前記ガス供給部は、前記チャンバー内に酸素、オゾンまたは窒素酸化物を含む処理ガスを供給して酸化雰囲気を形成することを特徴とする熱処理装置。
  7. 請求項５または請求項６記載の熱処理装置において、
    前記追加加熱では、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を５００℃以上に１秒以下加熱することを特徴とする熱処理装置。
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