JP7278111B2 - 熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、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）に光を照射することによって該基板を加熱して酸化膜を形成する熱処理方法および熱処理装置に関する。
従来より、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート絶縁膜としてはシリコン（Ｓｉ）を酸化した二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の薄膜が広く使用されてきたが、近年は二酸化ケイ素よりも誘電率の高い材料を用いた高誘電率膜（High-k膜）に置き換えられつつある。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。
ゲート絶縁膜として高誘電率膜を用いる場合であっても、シリコンの基層と高誘電率膜との間に界面層膜（下地膜）として二酸化ケイ素の薄膜が形成される（例えば、特許文献１）。これは、シリコンの基層上に直接高誘電率膜を成膜すると、界面の欠陥が多くなってリーク電流が増大するためである。シリコンの基層と高誘電率膜との間に二酸化ケイ素の薄膜を形成することにより、界面の整合性が向上してリーク電流が減少する。すなわち、シリコンの酸化膜の形成は半導体デバイスの製造技術において重要な要素の一つであると言える。
特開２０１７－０４５９８２号公報
典型的には、シリコン酸化膜は熱酸化法によって形成される。酸化雰囲気中にてシリコンを高温で処理することによって、シリコンとの界面の整合性が良好なシリコン酸化膜が形成される。
しかし、従来の熱酸化法では、シリコンウェハーを酸化用の炉内に搬入したときに、所望の酸化温度よりも低い温度からシリコンの酸化反応が始まるため、十分に良好な特性のシリコン酸化膜が得られないことがあった。また、従来の熱酸化法では、炉内で比較的長時間をかけてシリコンを熱酸化するため、ナノメートルオーダーでシリコン酸化膜の膜厚を制御することは困難であった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、薄くかつ良好な特性の酸化膜を形成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、基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸化膜を形成する熱処理方法において、基板をチャンバー内に収容する収容工程と、前記基板に光を照射して前記基板を加熱する加熱工程と、前記加熱工程の途中で前記基板が所定の切替温度に到達したときに前記チャンバー内にオゾンを供給して前記チャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替える雰囲気切替工程と、を備え、前記加熱工程は、連続点灯ランプから前記基板に光を照射する予備加熱工程と、前記予備加熱工程の後にフラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ加熱工程と、を含み、前記加熱工程でのフラッシュ光の照射が終了した後に直ちに前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止し、前記予備加熱工程における予備加熱温度に到達する前に前記チャンバー内への前記オゾンの供給を開始することを特徴とする。
また、請求項２の発明は、基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸化膜を形成する熱処理方法において、基板をチャンバー内に収容する収容工程と、前記基板に光を照射して前記基板を加熱する加熱工程と、前記加熱工程の途中で前記基板が所定の切替温度に到達したときに前記チャンバー内にオゾンを供給して前記チャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替える雰囲気切替工程と、を備え、前記加熱工程は、連続点灯ランプから前記基板に光を照射する予備加熱工程と、前記予備加熱工程の後にフラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ加熱工程と、を含み、前記加熱工程でのフラッシュ光の照射が終了した後に直ちに前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止するとともに前記チャンバー内に水素ガスを供給することを特徴とする。
また、請求項３の発明は、基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸化膜を形成する熱処理方法において、基板をチャンバー内に収容する収容工程と、前記基板に光を照射して前記基板を加熱する加熱工程と、前記加熱工程の途中で前記基板が所定の切替温度に到達したときに前記チャンバー内にオゾンを供給して前記チャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替える雰囲気切替工程と、を備え、前記加熱工程は、連続点灯ランプから前記基板に光を照射する予備加熱工程と、前記予備加熱工程の後にフラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ加熱工程と、を含み、前記加熱工程でのフラッシュ光の照射が終了した後に直ちに前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止するとともに前記チャンバー内にアルゴンガスまたはキセノンガスを供給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、前記チャンバー内の前記オゾンの濃度が所定値に到達したときに前記フラッシュ光を照射することを特徴とする。
また、請求項５の発明は、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記基板にフラッシュ光を照射することによって、前記基板の表面に酸化膜を形成するとともに、前記基板に注入された不純物を活性化することを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項１の発明に係る熱処理方法において、前記加熱工程が終了した後に前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止するとともに前記チャンバー内を減圧することを特徴とする。
また、請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかの発明に係る熱処理方法において、前記基板はシリコンの基板であ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、前記雰囲気切替工程では、前記オゾンに不活性ガスを混合して前記チャンバー内に供給することを特徴とする。
また、請求項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、前記切替温度は４００℃以上であることを特徴とする。
また、請求項１０の発明は、基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸化膜を形成する熱処理装置において、基板を収容するチャンバーと、前記基板に光を照射して前記基板を加熱する光照射部と、前記チャンバー内にオゾンを供給するガス供給部と、前記光照射部からの光照射によって前記基板を加熱している途中で前記基板が所定の切替温度に到達したときに前記チャンバー内に前記オゾンを供給して前記チャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替えるように前記ガス供給部を制御する制御部と、を備え、前記光照射部は、前記基板に光を照射して前記基板を予備加熱する連続点灯ランプと、前記予備加熱の後に前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、を含み、前記フラッシュランプからのフラッシュ光の照射が終了した後に直ちに前記ガス供給部が前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止し、前記制御部は、前記予備加熱における予備加熱温度に到達する前に前記チャンバー内への前記オゾンの供給を開始するように前記ガス供給部を制御することを特徴とする。
また、請求項１１の発明は、基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸化膜を形成する熱処理装置において、基板を収容するチャンバーと、前記基板に光を照射して前記基板を加熱する光照射部と、前記チャンバー内にオゾンを供給するガス供給部と、前記光照射部からの光照射によって前記基板を加熱している途中で前記基板が所定の切替温度に到達したときに前記チャンバー内に前記オゾンを供給して前記チャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替えるように前記ガス供給部を制御する制御部と、を備え、前記光照射部は、前記基板に光を照射して前記基板を予備加熱する連続点灯ランプと、前記予備加熱の後に前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、を含み、前記フラッシュランプからのフラッシュ光の照射が終了した後に直ちに前記ガス供給部が前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止するとともに前記チャンバー内に水素ガスを供給することを特徴とする。
また、請求項１２の発明は、基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸化膜を形成する熱処理装置において、基板を収容するチャンバーと、前記基板に光を照射して前記基板を加熱する光照射部と、前記チャンバー内にオゾンを供給するガス供給部と、前記光照射部からの光照射によって前記基板を加熱している途中で前記基板が所定の切替温度に到達したときに前記チャンバー内に前記オゾンを供給して前記チャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替えるように前記ガス供給部を制御する制御部と、を備え、前記光照射部は、前記基板に光を照射して前記基板を予備加熱する連続点灯ランプと、前記予備加熱の後に前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、を含み、前記フラッシュランプからのフラッシュ光の照射が終了した後に直ちに前記ガス供給部が前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止するとともに前記チャンバー内にアルゴンガスまたはキセノンガスを供給することを特徴とする。
また、請求項１３の発明は、請求項１０から請求項１２のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記フラッシュランプは、前記チャンバー内の前記オゾンの濃度が所定値に到達したときに前記フラッシュ光を照射することを特徴とする。
また、請求項１４の発明は、請求項１０から請求項１２のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記フラッシュランプが前記基板にフラッシュ光を照射することによって、前記基板の表面に酸化膜を形成するとともに、前記基板に注入された不純物を活性化することを特徴とする。
また、請求項１５の発明は、請求項１０の発明に係る熱処理装置において、前記チャンバー内を減圧する減圧部をさらに備え、前記光照射部からの光照射による前記基板の加熱が終了した後に、前記ガス供給部が前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止するとともに、前記減圧部が前記チャンバー内を減圧することを特徴とする。
また、請求項１６の発明は、請求項１０から請求項１５のいずれかの発明に係る熱処理装置において、前記基板はシリコンの基板であることを特徴とする。
また、請求項１７の発明は、請求項１６の発明に係る熱処理装置において、前記ガス供給部は、前記オゾンに不活性ガスを混合して前記チャンバー内に供給することを特徴とする。
また、請求項１８の発明は、請求項１６または請求項１７の発明に係る熱処理装置において、前記切替温度は４００℃以上であることを特徴とする。
請求項１から請求項９の発明によれば、加熱工程の途中で基板が所定の切替温度に到達したときにチャンバー内にオゾンを供給してチャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替えるため、基板の温度が切替温度未満の比較的低温のときには酸化が抑制され、その温度が高温になってから酸化が行われることとなり、基板に薄くかつ良好な特性の酸化膜を形成することができる。
特に、請求項６の発明によれば、加熱工程が終了した後にチャンバー内へのオゾンの供給を停止するとともにチャンバー内を減圧するため、酸化膜の成長を迅速に停止させて膜厚を適切に制御することができる。
請求項１０から請求項１８の発明によれば、光照射部からの光照射によって基板を加熱している途中で基板が所定の切替温度に到達したときにチャンバー内にオゾンを供給してチャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替えるため、基板の温度が切替温度未満の比較的低温のときには酸化が抑制され、その温度が高温になってから酸化が行われることとなり、基板に薄くかつ良好な特性の酸化膜を形成することができる。
特に、請求項１５の発明によれば、光照射部からの光照射による基板の加熱が終了した後に、ガス供給部がチャンバー内へのオゾンの供給を停止するとともに、減圧部がチャンバー内を減圧するため、酸化膜の成長を迅速に停止させて膜厚を適切に制御することができる。
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。 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。 本発明に係る熱処理方法の手順を示すフローチャートである。 半導体ウェハーの表面温度の変化を示す図である。 チャンバー内における酸素濃度の変化を示す図である。 チャンバー内における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。
まず、本発明に係る熱処理装置について説明する。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。図１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。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。熱処理装置１は、チャンバー６内に処理ガスを供給するガス供給部９０を備える。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。
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、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。
さらに、チャンバー側部６１には、貫通孔６１ａが穿設されている。チャンバー側部６１の外壁面の貫通孔６１ａが設けられている部位には放射温度計２０が取り付けられている。貫通孔６１ａは、後述するサセプタ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赤外光を放射温度計２０に導くための円筒状の孔である。貫通孔６１ａは、その貫通方向の軸がサセプタ７４に保持された半導体ウェハーＷの主面と交わるように、水平方向に対して傾斜して設けられている。貫通孔６１ａの熱処理空間６５に臨む側の端部には、放射温度計２０が測定可能な波長領域の赤外光を透過させるフッ化バリウム材料からなる透明窓２１が装着されている。放射温度計２０は、半導体ウェハーＷの下面から放射された赤外光を透明窓２１を介して受光し、その赤外光の強度から半導体ウェハーＷの温度を測定する。
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を介してガス供給部９０の供給配管８３に連通接続されている。供給配管８３は二叉に分岐され、そのうちの一方は酸素供給源９３に接続され、他方は窒素供給源９４に接続されている。供給配管８３から分岐されて酸素供給源９３に接続された配管にはバルブ９１が設けられ、窒素供給源９４に接続された配管にはバルブ９２が設けられている。バルブ９１が開放されると酸素供給源９３から供給配管８３に酸素ガス（Ｏ２）が送り出される。一方、バルブ９２が開放されると窒素供給源９４から供給配管８３に窒素ガス（Ｎ２）が送り出される。バルブ９１およびバルブ９２の双方が開放されると供給配管８３には酸素と窒素との混合ガスが送給される。酸素供給源９３、窒素供給源９４、バルブ９１、バルブ９２および供給配管８３によって熱処理装置１のガス供給部９０が構成される。供給配管８３から送給された処理ガスは緩衝空間８２に流入し、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、酸素および窒素のそれぞれの供給流量は分岐された配管に設けられた図示省略の流量調整バルブ等によって調整可能とされている。
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８９，１９２を開放することによって、チャンバー６内の雰囲気がガス排気管８８，１９１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、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。すなわち、排気部１９０は、チャンバー６内を減圧する減圧部としても機能するものである。
図２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、チャンバー６の壁面に支持されることとなる（図１参照）。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３は、サセプタ７４の平面図である。また、図４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２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、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。
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２および図３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が半導体ウェハー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およびチャンバー側部６１の貫通孔６１ａに装着された透明窓２１を介して半導体ウェハーＷの下面から放射された光を受光して当該半導体ウェハー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。移載アーム１１およびリフトピン１２は石英にて形成されている。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には酸素濃度計９９が設けられている。酸素濃度計９９は、チャンバー６内の雰囲気中における酸素濃度を測定する。
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。複数のフラッシュランプＦＬが配列される領域は半導体ウェハーＷの平面サイズよりも大きい。
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円筒形状のガラス管（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。
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。
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、本発明に係る熱処理方法について説明する。図８は、本発明に係る熱処理方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態において処理対象となる半導体基板はシリコン（Ｓｉ）の半導体ウェハーＷである。半導体ウェハーＷの表面において、少なくとも一部は基材のシリコンが露出している。なお、本発明に係る熱処理方法に先立って、半導体ウェハーＷの表面にフッ酸等による洗浄処理を行ってシリコンの露出部位に形成されている自然酸化膜を除去しておくようにしても良い。
まず、シリコンの半導体ウェハーＷが熱処理装置１のチャンバー６内に搬入される（ステップＳ１）。具体的には、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。このときに、バルブ９２を開放してチャンバー６内に窒素ガスを供給し、搬送開口部６６から窒素ガスを流出させて半導体ウェハーＷの搬入にともなう外部雰囲気の巻き込み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。
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、一部領域でシリコンが露出している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。
また、ゲートバルブ１８５によって搬送開口部６６が閉鎖されて熱処理空間６５が密閉空間とされた後、チャンバー６内に不活性ガスである窒素の雰囲気が形成される（ステップＳ２）。具体的には、バルブ９１が閉止されつつバルブ９２が開放されてガス供給孔８１から熱処理空間６５に窒素ガスが供給される。また、バルブ８９が開放されてガス排気孔８６からチャンバー６内の気体が排気される。これにより、チャンバー６内の熱処理空間６５の上部から供給された窒素ガスが下方へと流れて熱処理空間６５の下部から排気され、チャンバー６内が窒素雰囲気に置換される。また、バルブ１９２が開放されることによって、搬送開口部６６からもチャンバー６内の気体が排気される。さらに、図示省略の排気機構によって移載機構１０の駆動部周辺の雰囲気も排気される。なお、予めチャンバー６内に窒素雰囲気を形成しておき、そこに半導体ウェハーＷを搬入するようにしても良い。
次に、ハロゲン加熱部４のハロゲンランプＨＬによって半導体ウェハーＷの予備加熱（アシスト加熱）が実行される（ステップＳ３）。図９は、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７４を透過して半導体ウェハーＷの裏面から照射される。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による予備加熱の障害となることは無い。
ハロゲンランプＨＬによる加熱処理を行うときには、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透明窓２１を通して放射温度計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、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Ｔ２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。
また、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の温度が所定の切替温度Ｔ１に到達したか否かを監視している（ステップＳ４）。切替温度Ｔ１は４００℃以上である。予備加熱の途中で半導体ウェハーＷの温度が切替温度Ｔ１に到達したときには、ステップＳ４からステップＳ５に進み、チャンバー６内を窒素雰囲気から酸素雰囲気に置換する。具体的には、時刻ｔ２に半導体ウェハーＷの温度が切替温度Ｔ１に到達したときに、制御部３の制御下にてバルブ９１が開放されてガス供給部９０からチャンバー６内に酸素ガスが供給される。
チャンバー６内に酸素ガスが供給されることによって、チャンバー６内には酸素を含む雰囲気、すなわち酸化雰囲気が形成される。本実施形態では、半導体ウェハーＷの温度が切替温度Ｔ１に到達したことをトリガーとして、チャンバー６内が不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替えられるのである。半導体ウェハーＷの温度が切替温度Ｔ１に到達した以降にチャンバー６内に酸素雰囲気が形成されることによって、半導体ウェハーＷの表面におけるシリコンの露出部位に酸化が生じてシリコン酸化膜（二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の薄膜）の成長が開始される。
続いて、時刻ｔ３に半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ２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Ｔ２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Ｔ２に到達した時刻ｔ３に制御部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Ｔ２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Ｔ２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。
時刻ｔ３に半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ２に到達した以降もチャンバー６内には酸素ガスが継続して供給されている。図１０は、チャンバー６内における酸素濃度の変化を示す図である。チャンバー６内における酸素濃度は酸素濃度計９９によって測定されている。半導体ウェハーＷの温度が切替温度Ｔ１に到達した時刻ｔ２にチャンバー６への酸素ガス供給が開始されて酸素濃度が上昇し始める。半導体ウェハーＷの温度が予備加熱温度Ｔ２に到達した時刻ｔ３以降も酸素ガス供給が継続されてチャンバー６内の酸素濃度が上昇し続ける。そして、酸素濃度計９９によって測定されるチャンバー６内の酸素濃度が目標濃度Ｃ１に到達した時刻ｔ４にフラッシュ加熱部５のフラッシュランプ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Ｓ６）。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。なお、目標濃度Ｃ１は適宜の値とすることができ、１００％であっても良い。
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、フラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射により、半導体ウェハーＷの表面は瞬間的にピーク温度Ｔ３にまで昇温した後、急速に降温する。ピーク温度Ｔ３は、予備加熱温度Ｔ２よりも高い。
チャンバー６内の酸素濃度が目標濃度Ｃ１に到達している状態にてフラッシュ光照射により半導体ウェハーＷの表面をピーク温度Ｔ３にまで昇温することにより、シリコンの露出部位における熱酸化が進行してシリコン酸化膜がさらに成長する。もっとも、フラッシュ光の照射時間は０．１ミリセカンド以上１００ミリセカンド以下の極めて短時間であるため、シリコン酸化膜の膜厚が所望値を超えて過度に厚くなることは防止される。本実施形態では、シリコン酸化膜の膜厚は１．５ｎｍ程度となる。
フラッシュ光照射が終了した後、制御部３の制御下にて直ちにバルブ９１が閉止されてチャンバー６内への酸素ガスの供給が停止される。また、酸素雰囲気形成時にチャンバー６に窒素ガスも供給されていた場合には、バルブ９２も閉止されて窒素ガスの供給も停止される。そして、チャンバー６内へのガス供給が停止された状態にて排気部１９０がチャンバー６内の気体を排気することにより、チャンバー６内が大気圧未満に減圧される（ステップＳ７）。
図１１は、チャンバー６内における圧力変化を示す図である。ハロゲンランプＨＬによる半導体ウェハーＷの予備加熱およびフラッシュランプＦＬによるフラッシュ加熱は大気圧Ｐ１にて実行される。すなわち、チャンバー６内の圧力が大気圧Ｐ１にてシリコン酸化膜が成長する。時刻ｔ４にフラッシュランプＦＬからのフラッシュ光照射が実行された後、直ちに排気部１９０によってチャンバー６内が大気圧Ｐ１から減圧される。そして、時刻ｔ５にはチャンバー６内が気圧Ｐ２にまで減圧される。図１１に示すように、時刻ｔ４から時刻ｔ５に至るチャンバー６内の減圧において、初期段階では比較的小さな排気流量で静かに減圧を行った後に、大きな排気流量に切り換えるようにしている。減圧開始と同時に大きな排気流量にて急激にチャンバー６内を減圧すると、板厚の薄い石英のサセプタ７４等が破損するおそれのあるところ、本実施形態のように排気流量を２段階に切り換えることにより、サセプタ７４等の破損を防止することができる。
また、時刻ｔ４からチャンバー６内の減圧を行うことにより、図１０に示すように、チャンバー６内の酸素濃度も目標濃度Ｃ１から低下する。さらに、図９に示すように、時刻ｔ４にフラッシュ光照射が行われた後、半導体ウェハーＷの表面温度も急速に降温する。チャンバー６内の酸素濃度が低下するとともに、半導体ウェハーＷの表面温度が降温することにより、シリコン酸化膜の成長は迅速に停止する。
フラッシュ光照射後の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、放射温度計２０の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。また、排気部１９０によってチャンバー６内が気圧Ｐ２にまで減圧されることにより、チャンバー６内の酸素はほぼ完全にチャンバー６から排出されることとなり、チャンバー６における後続の処理への影響を排除することができる。時刻ｔ５にチャンバー６内が気圧Ｐ２にまで減圧された時点で排気部１９０による排気が停止されるとともに、バルブ９２が開放されてチャンバー６内に窒素ガスが供給される。これにより、チャンバー６内が窒素雰囲気とされて大気圧Ｐ１に復圧する。
チャンバー６内が不活性ガス雰囲気の大気圧Ｐ１に復圧し、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（ステップＳ８）。
本実施形態においては、予備加熱の途中で半導体ウェハーＷの温度が切替温度Ｔ１に到達したときに、チャンバー６内に酸素ガスを供給してチャンバー６内を窒素雰囲気から酸素雰囲気に切り替えている。このため、半導体ウェハーＷの温度が切替温度Ｔ１未満の比較的低温のときには、チャンバー６内が不活性ガス雰囲気であるためシリコンの酸化は行われない。そして、半導体ウェハーＷの温度が切替温度Ｔ１以上の比較的高温となったときに、チャンバー６内が不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替えられ、シリコンが酸化されてシリコン酸化膜（二酸化ケイ素の薄膜）が成長を開始する。その結果、半導体ウェハーＷの温度が比較的低温のときの酸化が抑制されつつ、高温になってから酸化が行われることとなり、緻密かつシリコン基層との界面の欠陥が少ない良好な特性の薄い酸化膜を形成することができる。
また、本実施形態においては、酸化雰囲気中にて照射時間の極めて短いフラッシュ光を半導体ウェハーＷに照射することによってシリコンの酸化膜を形成している。このため、膜厚の極めて薄いナノメートルオーダーのシリコン酸化膜を形成することができる。シリコン酸化膜を高誘電率ゲート絶縁膜の下地膜として使用する場合には、極めて薄い膜厚が求められており、本発明に係る熱処理方法は好適である。
単に薄いシリコン酸化膜を成膜するのであれば、例えばＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)によって二酸化ケイ素を堆積させることも可能である。しかし、ＡＬＤによって二酸化ケイ素を堆積させると、シリコン酸化膜とシリコン基層との界面に多数の欠陥が生じることが知られている。このため、別途欠陥を解消するためのアニール処理(ＰＤＡ:Post Deposition Anneal)が必要となる。本実施形態では、フラッシュ加熱を用いた極めて短時間の熱酸化法によってシリコン酸化膜を形成しているため、シリコン基層との整合性が良好で欠陥が少なく、かつ、ナノメートルオーダーの薄いシリコン酸化膜を形成することができる。
また、フラッシュ加熱を用いた熱酸化法によってシリコン酸化膜を形成しているため、半導体ウェハーＷの表面に複雑な形状の３次元のパターンが形成されている場合であっても、そのパターンの側壁部分を含む全体に均一に酸化膜を形成することができる。
さらに、フラッシュ光照射後に直ちにチャンバー６内への酸素ガスの供給を停止するとともに、排気部１９０によってチャンバー６内を減圧して酸素濃度を急速に低下させるようにしている。これにより、半導体ウェハーＷ表面のシリコン酸化膜の成長を迅速に停止させてその膜厚を適切に制御することができる。
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、チャンバー６内に酸素を供給して酸化雰囲気を形成していたが、これに限定されるものではなく、オゾン、ラジカル酸素、水蒸気等の酸化性ガスを用いるようにしても良い。すなわち、シリコンを酸化する酸化性ガスをチャンバー６内に供給して酸化雰囲気を形成するようにすれば良い。特に、オゾン等の酸化力の強い酸化性ガスを用いれば、より緻密かつシリコン基層との界面の欠陥が少ない良好な特性の薄い酸化膜を形成することができる。
また、チャンバー６内を窒素雰囲気から酸素雰囲気に置換するときに、バルブ９２を閉止してチャンバー６内に酸素ガスのみを供給するようにしても良いし、バルブ９２も開放してチャンバー６内に酸素ガスと窒素ガスとの混合ガスを供給するようにしても良い。窒素雰囲気から酸化雰囲気への置換時に、酸素ガスに不活性ガスを混合してチャンバー６内に供給すれば、半導体ウェハーＷの表面のヘイズレベルの悪化を抑制することにより、緻密かつシリコン基層との界面の欠陥が少ない良好な特性の薄い酸化膜を形成することができる。なお、酸素ガスに混合する不活性ガスは、窒素ガスに限らず、アルゴンガス（Ａｒ）またはキセノンガス（Ｘｅ）であっても良い。
また、フラッシュ光照射後にチャンバー６内を減圧する際に、チャンバー６内へ窒素ガスを供給しつつ排気部１９０がチャンバー６内の気体を排気することによってチャンバー６内を大気圧未満に減圧するようにしても良い。この場合、チャンバー６内への窒素ガスの供給流量よりも排気部１９０による排気流量の方が大きいのは勿論である。
また、フラッシュ光照射後にチャンバー６内を減圧する際に、チャンバー６内へ供給するガスを窒素ガスに代えてアルゴンガスやキセノンガスなどの不活性ガスとしても良い。特に、フラッシュ光照射後にチャンバー６内への酸素ガスの供給を停止するとともにチャンバー６内にアルゴンガスやキセノンガスを供給した場合、半導体ウェハーＷ表面の酸素の外方拡散をコントロールして表層部の結晶性を高めることにより、緻密かつシリコン基層との界面の欠陥が少ない良好な特性の薄い酸化膜を形成することができる。
さらに、フラッシュ光照射後にチャンバー６内を減圧する際に、チャンバー６内へ供給するガスを不活性ガスに代えて水素ガス（Ｈ２）としても良い。フラッシュ光照射後にチャンバー６内への酸素ガスの供給を停止するとともにチャンバー６内に水素ガスを供給することにより、水素シンタリングを行い、より緻密かつシリコン基層との界面の欠陥が少ない良好な特性の薄い酸化膜を形成することができる。
また、ハロゲンランプＨＬによる予備加熱を行う前にチャンバー６内を大気圧未満に減圧するようにしても良い。これにより、先行する処理の雰囲気の影響を排除することができる。
また、ソース・ドレイン領域に不純物が注入された半導体ウェハーＷに上記実施形態と同様の予備加熱処理およびフラッシュ加熱処理を行うことにより、半導体ウェハーＷの表面に酸化膜を形成するのと同時に、半導体ウェハーＷに注入された不純物の活性化を行うようにしても良い。このようにすれば、半導体ウェハーＷに対する処理工程を削減することができる。ソース・ドレイン領域のシリコンが露出している場合には、当該領域にプロテクト酸化膜を形成しつつ不純物の活性化を行うこともできる。
また、上記実施形態においては、単結晶シリコンの半導体ウェハーＷに酸化膜を形成していたが、多結晶のポリシリコンに酸化膜を形成するようにしても良い。この場合にも、上記実施形態と同様の熱処理方法によってポリシリコンに酸化膜を形成する。ポリシリコンには単結晶シリコンに比較して多量の結晶粒界が存在するため、一般的にはポリシリコンの酸化速度は単結晶シリコンよりも大きく、ポリシリコンの酸化膜は厚くなりやすい。しかし、本発明に係る熱処理方法によってポリシリコンに酸化膜を形成すれば、照射時間の極めて短いフラッシュ光の照射によって酸化膜を形成しているため、酸化速度の大きなポリシリコンであっても精密な膜厚制御が可能となる。
また、上記実施形態においては、シリコンの半導体ウェハーＷに酸化膜を形成していたが、これに限定されるものではなく、ゲルマニウム（Ｇｅ）に酸化膜を形成するようにしても良い。この場合にも、上記実施形態と同様の熱処理方法により、ゲルマニウムに極めて薄い膜厚の酸化膜（ＧｅＯｘ）を形成することができる。
また、上記実施形態においては、フラッシュ加熱部５に３０本のフラッシュランプＦＬを備えるようにしていたが、これに限定されるものではなく、フラッシュランプＦＬの本数は任意の数とすることができる。また、フラッシュランプＦＬはキセノンフラッシュランプに限定されるものではなく、クリプトンフラッシュランプであっても良い。また、ハロゲン加熱部４に備えるハロゲンランプＨＬの本数も４０本に限定されるものではなく、任意の数とすることができる。
また、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。
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
６５ 熱処理空間
７４ サセプタ
７５ 保持プレート
７７ 基板支持ピン
８３ 供給配管
９０ ガス供給部
９３ 酸素供給源
９４ 窒素供給源
９９ 酸素濃度計
１９０ 排気部
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 (18)

  1. 基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸化膜を形成する熱処理方法であって、
    基板をチャンバー内に収容する収容工程と、
    前記基板に光を照射して前記基板を加熱する加熱工程と、
    前記加熱工程の途中で前記基板が所定の切替温度に到達したときに前記チャンバー内にオゾンを供給して前記チャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替える雰囲気切替工程と、
    を備え、
    前記加熱工程は、
    連続点灯ランプから前記基板に光を照射する予備加熱工程と、
    前記予備加熱工程の後にフラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ加熱工程と、
    を含み、
    前記加熱工程でのフラッシュ光の照射が終了した後に直ちに前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止し、
    前記予備加熱工程における予備加熱温度に到達する前に前記チャンバー内への前記オゾンの供給を開始することを特徴とする熱処理方法。
  2. 基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸化膜を形成する熱処理方法であって、
    基板をチャンバー内に収容する収容工程と、
    前記基板に光を照射して前記基板を加熱する加熱工程と、
    前記加熱工程の途中で前記基板が所定の切替温度に到達したときに前記チャンバー内にオゾンを供給して前記チャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替える雰囲気切替工程と、
    を備え、
    前記加熱工程は、
    連続点灯ランプから前記基板に光を照射する予備加熱工程と、
    前記予備加熱工程の後にフラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ加熱工程と、
    を含み、
    前記加熱工程でのフラッシュ光の照射が終了した後に直ちに前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止するとともに前記チャンバー内に水素ガスを供給することを特徴とする熱処理方法。
  3. 基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸化膜を形成する熱処理方法であって、
    基板をチャンバー内に収容する収容工程と、
    前記基板に光を照射して前記基板を加熱する加熱工程と、
    前記加熱工程の途中で前記基板が所定の切替温度に到達したときに前記チャンバー内にオゾンを供給して前記チャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替える雰囲気切替工程と、
    を備え、
    前記加熱工程は、
    連続点灯ランプから前記基板に光を照射する予備加熱工程と、
    前記予備加熱工程の後にフラッシュランプから前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュ加熱工程と、
    を含み、
    前記加熱工程でのフラッシュ光の照射が終了した後に直ちに前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止するとともに前記チャンバー内にアルゴンガスまたはキセノンガスを供給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、
    前記チャンバー内の前記オゾンの濃度が所定値に到達したときに前記フラッシュ光を照射することを特徴とする熱処理方法。
  5. 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、
    前記基板にフラッシュ光を照射することによって、前記基板の表面に酸化膜を形成するとともに、前記基板に注入された不純物を活性化することを特徴とする熱処理方法。
  6. 請求項１記載の熱処理方法において、
    前記加熱工程が終了した後に前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止するとともに前記チャンバー内を減圧することを特徴とする熱処理方法。
  7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱処理方法において、
    前記基板はシリコンの基板であ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、
    前記雰囲気切替工程では、前記オゾンに不活性ガスを混合して前記チャンバー内に供給することを特徴とする熱処理方法。
  9. 請求項７または請求項８記載の熱処理方法において、
    前記切替温度は４００℃以上であることを特徴とする熱処理方法。
  10. 基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸化膜を形成する熱処理装置であって、
    基板を収容するチャンバーと、
    前記基板に光を照射して前記基板を加熱する光照射部と、
    前記チャンバー内にオゾンを供給するガス供給部と、
    前記光照射部からの光照射によって前記基板を加熱している途中で前記基板が所定の切替温度に到達したときに前記チャンバー内に前記オゾンを供給して前記チャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替えるように前記ガス供給部を制御する制御部と、
    を備え、
    前記光照射部は、
    前記基板に光を照射して前記基板を予備加熱する連続点灯ランプと、
    前記予備加熱の後に前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
    を含み、
    前記フラッシュランプからのフラッシュ光の照射が終了した後に直ちに前記ガス供給部が前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止し、
    前記制御部は、前記予備加熱における予備加熱温度に到達する前に前記チャンバー内への前記オゾンの供給を開始するように前記ガス供給部を制御することを特徴とする熱処理装置。
  11. 基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸化膜を形成する熱処理装置であって、
    基板を収容するチャンバーと、
    前記基板に光を照射して前記基板を加熱する光照射部と、
    前記チャンバー内にオゾンを供給するガス供給部と、
    前記光照射部からの光照射によって前記基板を加熱している途中で前記基板が所定の切替温度に到達したときに前記チャンバー内に前記オゾンを供給して前記チャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替えるように前記ガス供給部を制御する制御部と、
    を備え、
    前記光照射部は、
    前記基板に光を照射して前記基板を予備加熱する連続点灯ランプと、
    前記予備加熱の後に前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
    を含み、
    前記フラッシュランプからのフラッシュ光の照射が終了した後に直ちに前記ガス供給部が前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止するとともに前記チャンバー内に水素ガスを供給することを特徴とする熱処理装置。
  12. 基板に光を照射することによって該基板を加熱して酸化膜を形成する熱処理装置であって、
    基板を収容するチャンバーと、
    前記基板に光を照射して前記基板を加熱する光照射部と、
    前記チャンバー内にオゾンを供給するガス供給部と、
    前記光照射部からの光照射によって前記基板を加熱している途中で前記基板が所定の切替温度に到達したときに前記チャンバー内に前記オゾンを供給して前記チャンバー内を不活性ガス雰囲気から酸化雰囲気に切り替えるように前記ガス供給部を制御する制御部と、
    を備え、
    前記光照射部は、
    前記基板に光を照射して前記基板を予備加熱する連続点灯ランプと、
    前記予備加熱の後に前記基板にフラッシュ光を照射するフラッシュランプと、
    を含み、
    前記フラッシュランプからのフラッシュ光の照射が終了した後に直ちに前記ガス供給部が前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止するとともに前記チャンバー内にアルゴンガスまたはキセノンガスを供給することを特徴とする熱処理装置。
  13. 請求項１０から請求項１２のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記フラッシュランプは、前記チャンバー内の前記オゾンの濃度が所定値に到達したときに前記フラッシュ光を照射することを特徴とする熱処理装置。
  14. 請求項１０から請求項１２のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記フラッシュランプが前記基板にフラッシュ光を照射することによって、前記基板の表面に酸化膜を形成するとともに、前記基板に注入された不純物を活性化することを特徴とする熱処理装置。
  15. 請求項１０記載の熱処理装置において、
    前記チャンバー内を減圧する減圧部をさらに備え、
    前記光照射部からの光照射による前記基板の加熱が終了した後に、前記ガス供給部が前記チャンバー内への前記オゾンの供給を停止するとともに、前記減圧部が前記チャンバー内を減圧することを特徴とする熱処理装置。
  16. 請求項１０から請求項１５のいずれかに記載の熱処理装置において、
    前記基板はシリコンの基板であることを特徴とする熱処理装置。
  17. 請求項１６記載の熱処理装置において、
    前記ガス供給部は、前記オゾンに不活性ガスを混合して前記チャンバー内に供給することを特徴とする熱処理装置。
  18. 請求項１６または請求項１７記載の熱処理装置において、
    前記切替温度は４００℃以上であることを特徴とする熱処理装置。
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