TW202040694A - 熱處理方法及熱處理裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種可形成較薄且特性良好之氧化膜之熱處理方法及熱處理裝置。將矽半導體晶圓W搬入至腔室6內，於氮氛圍中，藉由來自鹵素燈HL之光照射開始半導體晶圓W之預加熱。當於預加熱之中途半導體晶圓W之溫度達到特定之切換溫度時，對腔室6內供給氧氣而將腔室6內從氮氛圍切換為氧氛圍。然後，藉由閃光照射將半導體晶圓W之表面進行極短時間之加熱。於半導體晶圓W之溫度為低於切換溫度之相對低溫時，氧化受到抑制，於其溫度成為高溫後進行氧化。其結果，可於半導體晶圓W之表面形成緻密且與矽基層之界面之缺陷較少之特性良好之較薄氧化膜。

Description

熱處理方法及熱處理裝置
本發明係關於一種藉由對半導體晶圓等薄板狀精密電子基板(以下，簡稱作「基板」)照射光而將該基板加熱從而形成氧化膜之熱處理方法及熱處理裝置。
先前，作為場效電晶體(FET)之閘極絕緣膜，廣泛使用將矽(Si)氧化而成之二氧化矽(SiO2 )之薄膜，但近年來正在替換為使用介電常數較二氧化矽高之材料之高介電常數膜(High-k膜)。關於高介電常數膜，為了解決隨著閘極絕緣膜之薄膜化之進展而漏電流增大之問題，業界正進行於閘極電極使用金屬之金屬閘極電極以及隨之新之堆疊構造之開發。
即便於使用高介電常數膜作為閘極絕緣膜之情形時，亦於矽基層與高介電常數膜之間形成作為界面層膜(基底膜)之二氧化矽薄膜(例如，專利文獻1)。其原因在於：當於矽基層上直接成膜高介電常數膜時，界面之缺陷變多而漏電流增大。藉由於矽基層與高介電常數膜之間形成二氧化矽薄膜，界面之匹配性提昇而漏電流減少。即，矽氧化膜之形成可以說為半導體器件之製造技術中重要之要素之一。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2017-045982號公報
[發明所欲解決之問題]
典型來說，矽氧化膜藉由熱氧化法而形成。藉由於氧化氛圍中於高溫下對矽進行處理，形成與矽之界面之匹配性良好之矽氧化膜。
但，於先前之熱氧化法中，於將矽晶圓搬入至氧化用之爐內時，從低於所需之氧化溫度之溫度便開始矽之氧化反應，因此，存在無法獲得特性足夠良好之矽氧化膜之情形。又，於先前之熱氧化法中，於爐內歷時相對長時間將矽熱氧化，因此，難以於奈米級控制矽氧化膜之膜厚。
本發明係鑒於上述問題而完成者，其目的在於提供一種可形成較薄且特性良好之氧化膜之熱處理方法及熱處理裝置。 [解決問題之技術手段]
為了解決上述問題，技術方案1之發明係一種藉由對基板照射光而將該基板加熱從而形成氧化膜之熱處理方法，其特徵在於具備：收容工序，其係將基板收容至腔室內；加熱工序，其係對上述基板照射光而將上述基板加熱；及氛圍切換工序，其係當於上述加熱工序之中途上述基板達到特定之切換溫度時，對上述腔室內供給氧化性氣體而將上述腔室內從惰性氣體氛圍切換為氧化氛圍。
又，技術方案2之發明係如技術方案1之發明之熱處理方法，其中，上述加熱工序包括：預加熱工序，其係從連續點亮燈對上述基板照射光；及閃光加熱工序，其係於上述預加熱工序後，從閃光燈對上述基板照射閃光；且於上述預加熱工序之中途，開始向上述腔室內供給上述氧化性氣體。
又，技術方案3之發明係如技術方案2之發明之熱處理方法，其中，於上述腔室內之上述氧化性氣體之濃度達到特定值時，照射上述閃光。
又，技術方案4之發明係如技術方案2之發明之熱處理方法，其中，藉由對上述基板照射閃光，而於上述基板之表面形成氧化膜，並且將注入至上述基板中之雜質活化。
又，技術方案5之發明係如技術方案1至4中任一項之發明之熱處理方法，其中，於上述加熱工序結束後，停止向上述腔室內供給上述氧化性氣體，並且將上述腔室內減壓。
又，技術方案6之發明係如技術方案1至4中任一項之發明之熱處理方法，其中，於上述加熱工序結束後，停止向上述腔室內供給上述氧化性氣體，並且對上述腔室內供給氫氣。
又，技術方案7之發明係如技術方案1至4中任一項之發明之熱處理方法，其中，於上述加熱工序結束後，停止向上述腔室內供給上述氧化性氣體，並且對上述腔室內供給氬氣或氙氣。
又，技術方案8之發明係如技術方案1之發明之熱處理方法，其中，上述基板係矽基板，上述氧化性氣體係選自由氧氣、臭氧、氧自由基及水蒸氣所組成之群中之一種氣體。
又，技術方案9之發明係如技術方案8之發明之熱處理方法，其中，於上述氛圍切換工序中，於上述氧化性氣體中混合惰性氣體而供給至上述腔室內。
又，技術方案10之發明係如技術方案8或9之發明之熱處理方法，其中，上述切換溫度為400℃以上。
又，技術方案11之發明係一種藉由對基板照射光而將該基板加熱從而形成氧化膜之熱處理裝置，其特徵在於具備：腔室，其收容基板；光照射部，其對上述基板照射光而將上述基板加熱；氣體供給部，其對上述腔室內供給氧化性氣體；及控制部，其以當於藉由來自上述光照射部之光照射將上述基板加熱之中途上述基板達到特定之切換溫度時，對上述腔室內供給上述氧化性氣體而將上述腔室內從惰性氣體氛圍切換為氧化氛圍之方式控制上述氣體供給部。
又，技術方案12之發明係如技術方案11之發明之熱處理裝置，其中，上述光照射部包括：連續點亮燈，其對上述基板照射光而將上述基板預加熱；及閃光燈，其於上述預加熱後，對上述基板照射閃光；且上述控制部以於上述預加熱之中途開始向上述腔室內供給上述氧化性氣體之方式控制上述氣體供給部。
又，技術方案13之發明係如技術方案12之發明之熱處理裝置，其中，上述閃光燈於上述腔室內之上述氧化性氣體之濃度達到特定值時，照射上述閃光。
又，技術方案14之發明係如技術方案12之發明之熱處理裝置，其中，藉由上述閃光燈對上述基板照射閃光，而於上述基板之表面形成氧化膜，並且將注入至上述基板中之雜質活化。
又，技術方案15之發明係如技術方案11至14中任一項之發明之熱處理裝置，其特徵在於進而具備將上述腔室內減壓之減壓部，且於利用來自上述光照射部之光照射進行之上述基板之加熱結束後，上述氣體供給部停止向上述腔室內供給上述氧化性氣體，並且上述減壓部將上述腔室內減壓。
又，技術方案16之發明係如技術方案11至14中任一項之發明之熱處理裝置，其中，於利用來自上述光照射部之光照射進行之上述基板之加熱結束後，上述氣體供給部停止向上述腔室內供給上述氧化性氣體，並且對上述腔室內供給氫氣。
又，技術方案17之發明係如技術方案11至14中任一項之發明之熱處理裝置，其中，於利用來自上述光照射部之光照射進行之上述基板之加熱結束後，上述氣體供給部停止向上述腔室內供給上述氧化性氣體，並且對上述腔室內供給氬氣或氙氣。
又，技術方案18之發明係如技術方案11之發明之熱處理裝置，其中，上述基板係矽基板，上述氧化性氣體係選自由氧氣、臭氧、氧自由基及水蒸氣所組成之群中之一種氣體。
又，技術方案19之發明係如技術方案18之發明之熱處理裝置，其中，上述氣體供給部於上述氧化性氣體中混合惰性氣體而供給至上述腔室內。
又，技術方案20之發明係如技術方案18或19之發明之熱處理裝置，其中，上述切換溫度為400℃以上。 [發明之效果]
如技術方案1至10之發明，當於加熱工序之中途基板達到特定之切換溫度時，對腔室內供給氧化性氣體而將腔室內從惰性氣體氛圍切換為氧化氛圍，因此，於基板之溫度為低於切換溫度之相對低溫時，氧化受到抑制，於其溫度成為高溫後進行氧化，從而可於基板上形成較薄且特性良好之氧化膜。
尤其，如技術方案5之發明，於加熱工序結束後，停止向腔室內供給氧化性氣體，並且將腔室內減壓，因此，可使氧化膜之生長迅速地停止而適當地控制膜厚。
如技術方案11至20之發明，當於藉由來自光照射部之光照射將基板加熱之中途基板達到特定之切換溫度時，對腔室內供給氧化性氣體而將腔室內從惰性氣體氛圍切換為氧化氛圍，因此，於基板之溫度為低於切換溫度之相對低溫時，氧化受到抑制，於其溫度成為高溫後進行氧化，從而可於基板上形成較薄且特性良好之氧化膜。
尤其，如技術方案15之發明，於利用來自光照射部之光照射進行之基板之加熱結束後，氣體供給部停止向腔室內供給氧化性氣體，並且減壓部將腔室內減壓，因此，可使氧化膜之生長迅速地停止而適當地控制膜厚。
以下，一面參照附圖，一面對本發明之實施形態進行詳細說明。
首先，對本發明之熱處理裝置進行說明。圖1係表示本發明之熱處理裝置1之構成之縱剖視圖。圖1之熱處理裝置1係藉由對作為基板之圓板形狀之半導體晶圓W進行閃光照射而將該半導體晶圓W加熱之閃光燈退火裝置。成為處理對象之半導體晶圓W之尺寸並無特別限定，例如為
Figure 02_image001
300 mm或
Figure 02_image001
450 mm。再者，於圖1及之後之各圖中，視需要對各部分之尺寸或數量進行誇大或簡化描繪以便於理解。
熱處理裝置1具備收容半導體晶圓W之腔室6、內置複數個閃光燈FL之閃光加熱部5、及內置複數個鹵素燈HL之鹵素加熱部4。於腔室6之上側設置有閃光加熱部5，並且於下側設置有鹵素加熱部4。熱處理裝置1具備對腔室6內供給處理氣體之氣體供給部90。又，熱處理裝置1於腔室6之內部具備將半導體晶圓W保持水平姿勢之保持部7、及於保持部7與裝置外部之間進行半導體晶圓W之交接之移載機構10。進而，熱處理裝置1具備控制部3，該控制部3控制鹵素加熱部4、閃光加熱部5及設置於腔室6內之各動作機構而執行半導體晶圓W之熱處理。
腔室6係於筒狀之腔室側部61之上下安裝石英製之腔室窗而構成。腔室側部61具有上下開口之大致筒形狀，於上側開口安裝上側腔室窗63而將其封閉，於下側開口安裝下側腔室窗64而將其封閉。構成腔室6之天花板部之上側腔室窗63係由石英形成之圓板形狀構件，作為使從閃光加熱部5出射之閃光透過到腔室6內之石英窗而發揮功能。又，構成腔室6之地板部之下側腔室窗64亦係由石英形成之圓板形狀構件，作為使來自鹵素加熱部4之光透過到腔室6內之石英窗而發揮功能。
又，於腔室側部61之內側之壁面之上部安裝有反射環68，於下部安裝有反射環69。反射環68、69均形成為圓環狀。上側之反射環68藉由從腔室側部61之上側嵌入而安裝。另一方面，下側之反射環69藉由從腔室側部61之下側嵌入並利用省略圖示之螺釘固定而安裝。即，反射環68、69均裝卸自如地安裝於腔室側部61。腔室6之內側空間，亦即由上側腔室窗63、下側腔室窗64、腔室側部61及反射環68、69包圍之空間被界定為熱處理空間65。
藉由於腔室側部61安裝反射環68、69，而於腔室6之內壁面形成凹部62。即，形成由腔室側部61之內壁面中未安裝反射環68、69之中央部分、反射環68之下端面、及反射環69之上端面包圍之凹部62。凹部62於腔室6之內壁面沿著水平方向形成為圓環狀，圍繞保持半導體晶圓W之保持部7。腔室側部61及反射環68、69由強度及耐熱性優異之金屬材料(例如，不鏽鋼)形成。
又，於腔室側部61形成設置有搬送開口部(爐口)66，該搬送開口部(爐口)66用以相對於腔室6進行半導體晶圓W之搬入及搬出。搬送開口部66可利用閘閥185而打開及關閉。搬送開口部66與凹部62之外周面連通連接。因此，於閘閥185將搬送開口部66打開時，可從搬送開口部66藉由凹部62將半導體晶圓W搬入熱處理空間65及將半導體晶圓W從熱處理空間65搬出。又，若閘閥185將搬送開口部66封閉，則腔室6內之熱處理空間65成為密閉空間。
進而，於腔室側部61穿設有貫通孔61a。於腔室側部61之外壁面之設置有貫通孔61a之部位，安裝有輻射溫度計20。貫通孔61a係用以將從保持於下述之晶座74之半導體晶圓W之下表面輻射之紅外光引導到輻射溫度計20之圓筒狀之孔。貫通孔61a以其貫通方向之軸與保持於晶座74之半導體晶圓W之主面相交之方式，相對於水平方向傾斜地設置。於貫通孔61a之面向熱處理空間65側之端部，安裝有使輻射溫度計20可測定之波長範圍之紅外光透過之包含氟化鋇材料之透明窗21。輻射溫度計20經由透明窗21接收從半導體晶圓W之下表面輻射之紅外光，根據該紅外光之強度測定半導體晶圓W之溫度。
又，於腔室6之內壁上部形成設置有氣體供給孔81，該氣體供給孔81對熱處理空間65供給處理氣體。氣體供給孔81形成設置於較凹部62更靠上側位置，亦可設置於反射環68。氣體供給孔81經由呈圓環狀形成於腔室6之側壁內部之緩衝空間82而與氣體供給部90之供給配管83連通連接。供給配管83分叉為二，其中一個與氧氣供給源93連接，另一個與氮氣供給源94連接。於從供給配管83分支而與氧氣供給源93連接之配管，設置有閥91，於與氮氣供給源94連接之配管設置有閥92。若打開閥91，則從氧氣供給源93輸送氧氣(O2 )至供給配管83。另一方面，若打開閥92，則從氮氣供給源94輸送氮氣(N2 )至供給配管83。若將閥91及閥92兩者打開，則輸送氧氣與氮氣之混合氣體至供給配管83。由氧氣供給源93、氮氣供給源94、閥91、閥92及供給配管83構成熱處理裝置1之氣體供給部90。從供給配管83輸送之處理氣體流入至緩衝空間82，以於流體阻力小於氣體供給孔81之緩衝空間82內擴散之方式流動，從氣體供給孔81供給至熱處理空間65內。再者，氧氣及氮氣各自之供給流量可利用設置於分支之配管上之省略圖示之流量調整閥等來進行調整。
另一方面，於腔室6之內壁下部形成設置有氣體排出孔86，該氣體排出孔86將熱處理空間65內之氣體排出。氣體排出孔86形成設置於較凹部62更靠下側位置，亦可設置於反射環69上。氣體排出孔86經由呈圓環狀形成於腔室6之側壁內部之緩衝空間87而與氣體排出管88連通連接。氣體排出管88與排氣部190連接。又，於氣體排出管88之路徑中途插入有閥89。若打開閥89，則熱處理空間65之氣體從氣體排出孔86經由緩衝空間87而向氣體排出管88排出。再者，氣體供給孔81及氣體排出孔86亦可沿著腔室6之圓周方向設置複數個，亦可為狹縫狀。
又，於搬送開口部66之前端，亦連接有將熱處理空間65內之氣體排出之氣體排出管191。氣體排出管191經由閥192而與排氣部190連接。藉由將閥192打開，而經由搬送開口部66排出腔室6內之氣體。
排氣部190具備排氣泵。藉由一面使排氣部190作動一面將閥89、192打開，使腔室6內之氛圍從氣體排出管88、191向排氣部190排出。當於不從氣體供給孔81進行任何氣體供給之情形時利用排氣部190對密閉空間即熱處理空間65之氛圍排氣時，可將腔室6內減壓至小於大氣壓之氣壓。即，排氣部190亦作為將腔室6內減壓之減壓部發揮功能。
圖2係表示保持部7之整體外觀之立體圖。保持部7具備基台環71、連結部72及晶座74而構成。基台環71、連結部72及晶座74均由石英形成。即，保持部7之整體由石英形成。
基台環71係從圓環形狀切除一部分而成之圓弧形狀之石英構件。該切除部分係為了防止下述之移載機構10之移載臂11與基台環71之干渉而設置。基台環71載置於凹部62之底面，由此被支持於腔室6之壁面(參照圖1)。於基台環71之上表面，沿著其圓環形狀之圓周方向豎立設置複數個連結部72(於本實施形態中為4個)。連結部72亦係石英構件，藉由焊接而固定於基台環71。
晶座74由設置於基台環71之4個連結部72支持。圖3係晶座74之俯視圖。又，圖4係晶座74之剖視圖。晶座74具備保持板75、導引環76及複數個基板支持銷77。保持板75係由石英形成之大致圓形之平板狀構件。保持板75之直徑大於半導體晶圓W之直徑。即，保持板75具有大於半導體晶圓W之平面尺寸。
於保持板75之上表面周緣部設置有導引環76。導引環76係具有大於半導體晶圓W之直徑之內徑之圓環形狀之構件。例如，於半導體晶圓W之直徑為
Figure 02_image001
300 mm之情形時，導引環76之內徑為
Figure 02_image001
320 mm。導引環76之內周形成為從保持板75朝向上方擴展般之錐面。導引環76由與保持板75相同之石英形成。導引環76可熔接於保持板75之上表面，亦可利用又加工之銷等而固定於保持板75。或者，亦可將保持板75與導引環76加工為一體之構件。
保持板75之上表面中較導引環76更靠內側之區域形成為保持半導體晶圓W之平面狀之保持面75a。於保持板75之保持面75a豎立設置有複數個基板支持銷77。於本實施形態中，沿著與保持面75a之外周圓(導引環76之內周圓)為同心圓之圓周上，均隔30°地豎立設置有共計12個基板支持銷77。配置有12個基板支持銷77之圓之直徑(對向之基板支持銷77間之距離)小於半導體晶圓W之直徑，若半導體晶圓W之直徑為
Figure 02_image001
300 mm，則該圓之直徑為
Figure 02_image001
270 mm～
Figure 02_image001
280 mm(於本實施形態中為
Figure 02_image001
270 mm)。各個基板支持銷77由石英形成。複數個基板支持銷77可藉由焊接而設置於保持板75之上表面，亦可與保持板75加工成一體。
返回到圖2，豎立設置於基台環71之4個連結部72與晶座74之保持板75之周緣部藉由焊接而固定。即，晶座74與基台環71利用連結部72而固定地連結。此種保持部7之基台環71支持於腔室6之壁面，由此，將保持部7安裝於腔室6。於保持部7安裝於腔室6之狀態下，晶座74之保持板75成為水平姿勢(法線與鉛直方向一致之姿勢)。即，保持板75之保持面75a成為水平面。
搬入至腔室6之半導體晶圓W以水平姿勢載置並保持於安裝於腔室6中之保持部7之晶座74上。此時，半導體晶圓W由豎立設置於保持板75上之12個基板支持銷77支持而保持於晶座74。更嚴格來說，12個基板支持銷77之上端部與半導體晶圓W之下表面接觸而支持該半導體晶圓W。12個基板支持銷77之高度(從基板支持銷77之上端到保持板75之保持面75a為止之距離)均勻，因此，可利用12個基板支持銷77將半導體晶圓W支持為水平姿勢。
又，半導體晶圓W藉由複數個基板支持銷77而與保持板75之保持面75a隔開特定之間隔被支持。導引環76之厚度大於基板支持銷77之高度。因此，藉由導引環76而防止由複數個基板支持銷77支持之半導體晶圓W之水平方向之位置偏移。
又，如圖2及圖3所示，於晶座74之保持板75，上下貫通而形成有開口部78。開口部78係為了供輻射溫度計20接收從半導體晶圓W之下表面輻射之輻射光(紅外光)而設置。即，輻射溫度計20經由開口部78及安裝於腔室側部61之貫通孔61a之透明窗21而接收從半導體晶圓W之下表面輻射之光，從而測定該半導體晶圓W之溫度。進而，於晶座74之保持板75穿設有4個貫通孔79，上述4個貫通孔79供下述之移載機構10之頂起銷12貫通以進行半導體晶圓W之交接。
圖5係移載機構10之俯視圖。又，圖6係移載機構10之側視圖。移載機構10具備2根移載臂11。移載臂11形成為如沿大致圓環狀之凹部62之圓弧形狀。於各個移載臂11豎立設置有2根頂起銷12。移載臂11及頂起銷12由石英形成。各移載臂11可藉由水平移動機構13而旋動。水平移動機構13使一對移載臂11於移載動作位置(圖5之實線位置)與退避位置(圖5之雙點劃線位置)之間水平移動，上述移載動作位置係相對於保持部7進行半導體晶圓W之移載之位置，上述退避位置係俯視下不與保持於保持部7之半導體晶圓W重疊之位置。作為水平移動機構13，可為利用個別之馬達使各移載臂11分別旋動之機構，亦可為使用連桿機構而藉由1個馬達使一對移載臂11連動旋動之機構。
又，一對移載臂11藉由升降機構14而與水平移動機構13一起升降移動。當升降機構14使一對移載臂11於移載動作位置上升時，共計4根頂起銷12藉由穿設於晶座74之貫通孔79(參照圖2、3)，頂起銷12之上端從晶座74之上表面突出。另一方面，當升降機構14使一對移載臂11於移載動作位置下降而將頂起銷12從貫通孔79拔出，且水平移動機構13使一對移載臂11以打開之方式移動時，各移載臂11移動到退避位置。一對移載臂11之退避位置為保持部7之基台環71之正上方。基台環71載置於凹部62之底面，因此，移載臂11之退避位置成為凹部62之內側。再者，於設置有移載機構10之驅動部(水平移動機構13及升降機構14)之部位之附近，亦設置有省略圖示之排氣機構，以將移載機構10之驅動部周邊之氛圍排出到腔室6之外部之方式構成。
返回到圖1，於腔室6設置有氧濃度計99。氧濃度計99測定腔室6內之氛圍中之氧濃度。
設置於腔室6之上方之閃光加熱部5係於殼體51之內側具備包含多根(於本實施形態中為30根)氙氣閃光燈FL之光源、及以將該光源之上方覆蓋之方式設置之反射器52而構成。又，於閃光加熱部5之殼體51之底部，安裝有燈光輻射窗53。構成閃光加熱部5之地板部之燈光輻射窗53係由石英形成之板狀之石英窗。藉由將閃光加熱部5設置於腔室6之上方，而使燈光輻射窗53與上側腔室窗63相對向。閃光燈FL從腔室6之上方經由燈光輻射窗53及上側腔室窗63而將閃光照射到熱處理空間65。
複數個閃光燈FL係分別具有長條之圓筒形狀之棒狀燈，以各自之長邊方向沿著保持於保持部7之半導體晶圓W之主面(亦即沿著水平方向)相互平行之方式呈平面狀排列。由此，藉由閃光燈FL之排列形成之平面亦係水平面。排列有複數個閃光燈FL之區域大於半導體晶圓W之平面尺寸。
氙氣閃光燈FL具備：圓筒形狀之玻璃管(放電管)，其於其內部封入有氙氣且於其兩端部配設有與電容器連接之陽極及陰極；及觸發電極，其附設於該玻璃管之外周面上。氙氣係電性絕緣體，因此，即便於電容器中蓄積有電荷，於通常之狀態下，亦不會於玻璃管內流通電。然而，於對觸發電極施加高電壓而破壞絕緣之情形時，電容器中蓄積之電瞬間流至玻璃管內，藉由此時之氙原子或分子之激發而放出光。於此種氙氣閃光燈FL中，將預先蓄積於電容器中之靜電能量轉換為0.1毫秒至100毫秒之極短光脈衝，因此，與如鹵素燈HL般連續點亮之光源相比，具有可照射極強之光之特徵。即，閃光燈FL係於少於1秒之極短時間瞬間發光之脈衝發光燈。再者，閃光燈FL之發光時間可藉由對閃光燈FL進行電力供給之燈電源之線圈常數進行調整。
又，反射器52於複數個閃光燈FL之上方以將它們整體覆蓋之方式設置。反射器52之基本功能係將從複數個閃光燈FL出射之閃光向熱處理空間65側反射。反射器52由鋁合金板形成，其表面(面向閃光燈FL側之面)藉由噴砂處理而被實施粗面化加工。
設置於腔室6之下方之鹵素加熱部4於殼體41之內側內置有多根(於本實施形態中40根)鹵素燈HL。鹵素加熱部4藉由複數個鹵素燈HL從腔室6之下方經由下側腔室窗64向熱處理空間65進行光照射而將半導體晶圓W加熱。
圖7係表示複數個鹵素燈HL之配置之俯視圖。40根鹵素燈HL分為上下2段而配置。於靠近保持部7之上段，配設有20根鹵素燈HL，並且於較上段遠離保持部7之下段，亦配設有20根鹵素燈HL。各鹵素燈HL係具有長條之圓筒形狀之棒狀燈。於上段、下段，20根鹵素燈HL均以各自之長邊方向沿著保持於保持部7之半導體晶圓W之主面(亦即沿著水平方向)相互平行之方式排列。由此，於上段、下段藉由鹵素燈HL之排列形成之平面均為水平面。
又，如圖7所示，於上段、下段，相較於與保持於保持部7之半導體晶圓W之中央部對向之區域，與半導體晶圓W之周緣部對向之區域中之鹵素燈HL之配設密度均更高。即，於上下段，相較於燈排列之中央部，周緣部之鹵素燈HL之配設間距均更短。因此，於藉由來自鹵素加熱部4之光照射進行加熱時，可對容易產生溫度下降之半導體晶圓W之周緣部照射更多之光量。
又，由上段之鹵素燈HL構成之燈群與由下段之鹵素燈HL構成之燈群以呈格子狀交叉之方式排列。即，以配置於上段之20根鹵素燈HL之長邊方向與配置於下段之20根鹵素燈HL之長邊方向相互正交之方式配設共計40根鹵素燈HL。
鹵素燈HL係藉由對配置於玻璃管內部之燈絲通電而使燈絲白熾化從而使其發光之燈絲方式之光源。於玻璃管之內部，封入有於氮氣或氬氣等惰性氣體中導入微量之鹵素元素(碘、溴等)所得之氣體。藉由導入鹵素元素，可抑制燈絲之折損並將燈絲之溫度設定為高溫。因此，鹵素燈HL具有與通常之白熾燈泡相比壽命長且可連續地照射強光之特性。即，鹵素燈HL係連續發光至少1秒以上之連續點亮燈。又，鹵素燈HL係棒狀燈，因此長壽命，藉由使鹵素燈HL沿著水平方向配置，而使得向上方之半導體晶圓W之輻射效率優異。
又，於鹵素加熱部4之殼體41內，亦於2段之鹵素燈HL之下側設置有反射器43(圖1)。反射器43將從複數個鹵素燈HL出射之光向熱處理空間65側反射。
控制部3控制設置於熱處理裝置1之上述各種動作機構。作為控制部3之硬件之構成與普通之電腦相同。即，控制部3具備進行各種運算處理之電路即CPU(central processing unit，中央處理單元)、存儲基本程式之讀出專用之記憶體即ROM(Read-Only Memory，只讀記憶體)、存儲各種信息之讀寫自如之記憶體即RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)及預先存儲有控制用軟體或資料等之磁碟。藉由控制部3之CPU執行特定之處理程式，而進行熱處理裝置1中之處理。
於上述構成以外，熱處理裝置1還具備各種冷卻用之構造，以防止於半導體晶圓W之熱處理時因從鹵素燈HL及閃光燈FL產生之熱能造成之鹵素加熱部4、閃光加熱部5及腔室6之過度之溫度上升。例如，於腔室6之壁體，設置有水冷管(省略圖示)。又，鹵素加熱部4及閃光加熱部5形成為於內部形成氣流而進行排熱之氣冷構造。又，亦對上側腔室窗63與燈光輻射窗53之間隙供給空氣，從而將閃光加熱部5及上側腔室窗63冷卻。
其次，對本發明之熱處理方法進行說明。圖8係表示本發明之熱處理方法之順序之流程圖。於本實施形態中，成為處理對象之半導體基板係矽(Si)半導體晶圓W。於半導體晶圓W之表面，至少一部分露出基材之矽。再者，於本發明之熱處理方法之前，亦可預先對半導體晶圓W之表面進行利用氫氟酸等之洗淨處理而將形成於矽之露出部位之自然氧化膜去除。
首先，將矽半導體晶圓W搬入至熱處理裝置1之腔室6內(步驟S1)。具體來說，打開閘閥185而將搬送開口部66打開，利用裝置外部之搬送機器人經由搬送開口部66將半導體晶圓W搬入至腔室6內之熱處理空間65。此時，亦可將閥92打開而對腔室6內供給氮氣，使氮氣從搬送開口部66流出，而將伴隨半導體晶圓W之搬入之外部氣體之夾帶抑制為最小限度。
藉由搬送機器人搬入之半導體晶圓W進入至保持部7之正上方位置為止而停止。然後，移載機構10之一對移載臂11從退避位置水平移動到移載動作位置並上升，由此，頂起銷12藉由貫通孔79從晶座74之保持板75之上表面突出而接收半導體晶圓W。此時，頂起銷12上升到較基板支持銷77之上端更靠上方為止。
將半導體晶圓W載置於頂起銷12後，搬送機器人從熱處理空間65退出，利用閘閥185將搬送開口部66封閉。然後，一對移載臂11下降，由此，半導體晶圓W從移載機構10被交接至保持部7之晶座74並被以水平姿勢從下方保持。半導體晶圓W由豎立設置於保持板75上之複數個基板支持銷77支持而保持於晶座74。又，半導體晶圓W以於一部分區域露出矽之表面為上表面而保持於保持部7。於由複數個基板支持銷77支持之半導體晶圓W之背面(與正面為相反側之主面)與保持板75之保持面75a之間，形成特定之間隔。下降至晶座74之下方為止之一對移載臂11藉由水平移動機構13退避到退避位置、亦即凹部62之內側。
又，利用閘閥185將搬送開口部66封閉而使熱處理空間65成為密閉空間後，於腔室6內形成惰性氣體即氮氛圍(步驟S2)。具體來說，將閥91關閉並將閥92打開而從氣體供給孔81對熱處理空間65供給氮氣。又，將閥89打開而從氣體排出孔86排出腔室6內之氣體。由此，從腔室6內之熱處理空間65之上部供給之氮氣向下方流動並從熱處理空間65之下部排出，而將腔室6內置換為氮氛圍。又，藉由將閥192打開，亦從搬送開口部66排出腔室6內之氣體。進而，藉由省略圖示之排氣機構，亦排出移載機構10之驅動部周邊之氛圍。再者，亦可預先於腔室6內形成氮氛圍，且向其中搬入半導體晶圓W。
然後，藉由鹵素加熱部4之鹵素燈HL執行半導體晶圓W之預加熱(輔助加熱)(步驟S3)。圖9係表示半導體晶圓W之表面溫度之變化之圖。於時刻t1，鹵素加熱部4之40根鹵素燈HL一齊點亮而開始半導體晶圓W之預加熱。從鹵素燈HL出射之鹵素光透過由石英形成之下側腔室窗64及晶座74而從半導體晶圓W之背面進行照射。藉由受到來自鹵素燈HL之光照射，半導體晶圓W被預加熱而溫度上升。再者，由於移載機構10之移載臂11退避到凹部62之內側，因此不會成為利用鹵素燈HL進行之預加熱之障礙。
於利用鹵素燈HL進行加熱處理時，利用輻射溫度計20測定半導體晶圓W之溫度。即，輻射溫度計20藉由透明窗21接收從保持於晶座74之半導體晶圓W之下表面經由開口部78輻射之紅外光而測定升溫中之晶圓溫度。測定所得之半導體晶圓W之溫度被傳輸至控制部3。控制部3基於利用輻射溫度計20獲得之測定值，以半導體晶圓W之溫度成為預加熱溫度T2之方式反饋控制鹵素燈HL之輸出。
又，控制部3監視藉由來自鹵素燈HL之光照射而升溫之半導體晶圓W之溫度是否已達到特定之切換溫度T1(步驟S4)。切換溫度T1為400℃以上。當於預加熱之中途半導體晶圓W之溫度已達到切換溫度T1時，從步驟S4進入至步驟S5，將腔室6內從氮氛圍置換為氧氛圍。具體來說，當於時刻t2半導體晶圓W之溫度已達到切換溫度T1時，於控制部3之控制下，將閥91打開而從氣體供給部90對腔室6內供給氧氣。
藉由對腔室6內供給氧氣，於腔室6內形成包含氧之氛圍、亦即氧化氛圍。於本實施形態中，以半導體晶圓W之溫度已達到切換溫度T1為觸發器，將腔室6內從惰性氣體氛圍切換為氧化氛圍。於半導體晶圓W之溫度已達到切換溫度T1以後，於腔室6內形成氧氛圍，由此於半導體晶圓W之表面中之矽露出部位發生氧化，而開始矽氧化膜(二氧化矽(SiO2 )之薄膜)之生長。
繼而，於時刻t3半導體晶圓W之溫度已達到預加熱溫度T2後，控制部3將半導體晶圓W暫時維持於該預加熱溫度T2。具體來說，於由輻射溫度計20測定之半導體晶圓W之溫度已達到預加熱溫度T2之時刻t3，控制部3調整鹵素燈HL之輸出，將半導體晶圓W之溫度大致維持於預加熱溫度T2。
藉由利用此種鹵素燈HL進行預加熱，使半導體晶圓W整體均勻地升溫到預加熱溫度T2。於利用鹵素燈HL進行預加熱之階段，存在更容易產生散熱之半導體晶圓W之周緣部之溫度較中央部下降之傾向，但鹵素加熱部4中之鹵素燈HL之配設密度係相較於與半導體晶圓W之中央部對向之區域，與半導體晶圓W之周緣部對向之區域更高。因此，對容易產生散熱之半導體晶圓W之周緣部照射之光量變多，從而可使預加熱階段之半導體晶圓W之面內溫度分佈均勻。
於時刻t3半導體晶圓W之溫度已達到預加熱溫度T2以後，亦對腔室6內繼續供給氧氣。圖10係表示腔室6內之氧濃度之變化之圖。腔室6內之氧濃度藉由氧濃度計99測定。於半導體晶圓W之溫度已達到切換溫度T1之時刻t2，開始向腔室6供給氧氣而氧濃度開始上升。於半導體晶圓W之溫度已達到預加熱溫度T2之時刻t3以後，亦繼續供給氧氣，而腔室6內之氧濃度繼續上升。然後，於藉由氧濃度計99測定之腔室6內之氧濃度達到目標濃度C1之時刻t4，閃光加熱部5之閃光燈FL對保持於晶座74之半導體晶圓W之表面進行閃光照射(步驟S6)。此時，從閃光燈FL輻射之閃光之一部分直接朝向腔室6內，其他一部分暫時被反射器52反射後朝向腔室6內，藉由這些閃光之照射進行半導體晶圓W之閃光加熱。再者，目標濃度C1可設為適當之值，亦可為100%。
閃光加熱藉由來自閃光燈FL之閃光(flash light)照射而進行，因此，可使半導體晶圓W之表面溫度於短時間上升。即，從閃光燈FL照射之閃光係將預先蓄積於電容器中之靜電能量轉換為極短光脈衝之照射時間為0.1毫秒以上100毫秒以下程度之極短且強之閃光。而且，藉由來自閃光燈FL之閃光照射，半導體晶圓W之表面瞬間升溫到峰值溫度T3後，急速降溫。峰值溫度T3高於預加熱溫度T2。
於腔室6內之氧濃度達到目標濃度C1之狀態下，藉由閃光照射使半導體晶圓W之表面升溫到峰值溫度T3，由此進行矽露出部位之熱氧化，矽氧化膜進一步生長。不過，閃光之照射時間為0.1毫秒以上100毫秒以下之極短時間，因此，得以防止矽氧化膜之膜厚超過所需值而過度變厚。於本實施形態中，矽氧化膜之膜厚為1.5 nm左右。
於閃光照射結束後，於控制部3之控制下，立刻將閥91關閉而停止向腔室6內供給氧氣。又，在於氧氛圍形成時對腔室6亦供給有氮氣之情形時，將閥92亦關閉而亦停止供給氮氣。而且，於停止向腔室6內供給氣體之狀態下，排氣部190將腔室6內之氣體排出，由此將腔室6內減壓至小於大氣壓(步驟S7)。
圖11係表示腔室6內之壓力變化之圖。利用鹵素燈HL進行之半導體晶圓W之預加熱及利用閃光燈FL進行之閃光加熱係於大氣壓P1下執行。即，於腔室6內之壓力為大氣壓P1中，矽氧化膜生長。於時刻t4執行來自閃光燈FL之閃光照射後，立刻藉由排氣部190將腔室6內從大氣壓P1減壓。然後，於時刻t5將腔室6內減壓至氣壓P2。如圖11所示，於從時刻t4到時刻t5之腔室6內之減壓中，於初始階段以相對較小之排氣流量平穩地進行減壓後，切換為較大之排氣流量。當若與減壓開始同時地以較大之排氣流量急劇地將腔室6內減壓，則有板厚較薄之石英之晶座74等破損之擔憂時，藉由如本實施形態般將排氣流量切換為2個階段，可防止晶座74等之破損。
又，藉由從時刻t4進行腔室6內之減壓，如圖10所示，腔室6內之氧濃度亦從目標濃度C1下降。進而，如圖9所示，於時刻t4進行閃光照射後，半導體晶圓W之表面溫度亦急速降溫。腔室6內之氧濃度下降，並且半導體晶圓W之表面溫度降溫，由此矽氧化膜之生長迅速地停止。
藉由輻射溫度計20測定閃光照射後之降溫中之半導體晶圓W之溫度，其測定結果被傳輸至控制部3。控制部3根據輻射溫度計20之測定結果而監視半導體晶圓W之溫度是否已降溫至特定溫度。又，藉由利用排氣部190將腔室6內減壓至氣壓P2，腔室6內之氧氣大致完全地從腔室6排出，而可排除對腔室6中之後續處理之影響。於在時刻t5腔室6內減壓至氣壓P2之時間點，停止利用排氣部190進行之排氣，並且將閥92打開而對腔室6內供給氮氣。由此，使腔室6內為氮氛圍而恢復到大氣壓P1。
於腔室6內恢復到惰性氣體氛圍之大氣壓P1且半導體晶圓W之溫度降溫至特定溫度以下後，移載機構10之一對移載臂11再次從退避位置水平移動到移載動作位置並上升，由此，頂起銷12從晶座74之上表面突出而從晶座74接收熱處理後之半導體晶圓W。繼而，將藉由閘閥185封閉之搬送開口部66打開，將載置於頂起銷12上之半導體晶圓W藉由裝置外部之搬送機器人搬出，從而完成熱處理裝置1中之半導體晶圓W之加熱處理(步驟S8)。
於本實施形態中，當於預加熱之中途半導體晶圓W之溫度已達到切換溫度T1時，對腔室6內供給氧氣而將腔室6內從氮氛圍切換為氧氛圍。因此，於半導體晶圓W之溫度為低於切換溫度T1之相對低溫時，腔室6內為惰性氣體氛圍，因此不會進行矽之氧化。而且，於半導體晶圓W之溫度成為切換溫度T1以上之相對高溫時，腔室6內從惰性氣體氛圍切換為氧化氛圍，矽被氧化而矽氧化膜(二氧化矽之薄膜)開始生長。其結果，於半導體晶圓W之溫度為相對低溫時，氧化受到抑制，並且於成為高溫後進行氧化，從而可形成緻密且與矽基層之界面之缺陷較少之特性良好之較薄之氧化膜。
又，於本實施形態中，藉由於氧化氛圍中對半導體晶圓W照射照射時間極短之閃光而形成矽之氧化膜。因此，可形成膜厚極薄之奈米級之矽氧化膜。於將矽氧化膜用作高介電常數閘極絕緣膜之基底膜之情形時，要求極薄之膜厚，而本發明之熱處理方法正好合適。
若僅成膜較薄之矽氧化膜，則亦可藉由例如ALD(Atomic Layer Deposition，原子層沈積)使二氧化矽沈積。但，已知若藉由ALD使二氧化矽沈積，則會於矽氧化膜與矽基層之界面產生大量缺陷。因此，又需要用以消除缺陷之退火處理(PDA，Post Deposition Anneal，沈積後退火)。於本實施形態中，藉由使用閃光加熱之極短時間之熱氧化法來形成矽氧化膜，因此，可形成與矽基層之匹配性良好、缺陷較少、且奈米級之較薄之矽氧化膜。
又，藉由使用閃光加熱之熱氧化法來形成矽氧化膜，因此，於在半導體晶圓W之表面形成有複雜形狀之三維圖案之情形時，亦可於包含該圖案之側壁部分之全體均勻地形成氧化膜。
進而，於閃光照射後立刻停止向腔室6內供給氧氣，並且藉由排氣部190將腔室6內減壓而使氧濃度急速下降。由此，可使半導體晶圓W表面之矽氧化膜之生長迅速地停止而適當地控制其膜厚。
以上，對本發明之實施形態進行了說明，但只要不脫離其主旨，則可對該發明進行除上述內容以外之各種變更。例如，於上述實施形態中，對腔室6內供給氧氣而形成氧化氛圍，但並不限定於此，亦可使用臭氧、氧自由基、水蒸氣等氧化性氣體。即，只要對腔室6內供給將矽氧化之氧化性氣體而形成氧化氛圍即可。尤其，若使用臭氧等氧化力較強之氧化性氣體，可形成更加緻密且與矽基層之界面之缺陷較少之特性良好之較薄之氧化膜。
又，於將腔室6內從氮氛圍置換為氧氛圍時，可將閥92關閉而僅對腔室6內供給氧氣，亦可將閥92亦打開而對腔室6內供給氧氣與氮氣之混合氣體。於從氮氛圍置換為氧化氛圍時，若於氧氣中混合惰性氣體而供給至腔室6內，則可抑制半導體晶圓W之表面之霧度變差，由此形成緻密且與矽基層之界面之缺陷較少之特性良好之較薄之氧化膜。再者，混合至氧氣中之惰性氣體並不限定於氮氣，亦可為氬氣(Ar)或氙氣(Xe)。
又，於在閃光照射後將腔室6內減壓時，亦可藉由一面向腔室6內供給氮氣一面令排氣部190將腔室6內之氣體排出而將腔室6內減壓至小於大氣壓。於該情形時，排氣部190之排氣流量當然要大於向腔室6內之氮氣之供給流量。
又，於在閃光照射後將腔室6內減壓時，亦可使向腔室6內供給之氣體為氬氣或氙氣等惰性氣體來代替氮氣。尤其，於在閃光照射後停止向腔室6內供給氧氣並且對腔室6內供給有氬氣或氙氣之情形時，藉由控制半導體晶圓W表面之氧之外側擴散而提高表層部之結晶性，可形成緻密且與矽基層之界面之缺陷較少之特性良好之較薄之氧化膜。
進而，於在閃光照射後將腔室6內減壓時，亦可使向腔室6內供給之氣體為氫氣(H2 )來代替惰性氣體。藉由於閃光照射後停止向腔室6內供給氧氣並且對腔室6內供給氫氣，而進行氫燒結，從而可形成更加緻密且與矽基層之界面之缺陷較少之特性良好之較薄之氧化膜。
又，亦可於利用鹵素燈HL進行之預加熱前，將腔室6內減壓至小於大氣壓。由此，可排除之前進行之處理之氛圍之影響。
又，藉由對於源極/漏極區域注入有雜質之半導體晶圓W進行與上述實施形態相同之預加熱處理及閃光加熱處理，於半導體晶圓W之表面形成氧化膜之同時，亦可進行注入至半導體晶圓W中之雜質之活化。若如此設定，則可削減對半導體晶圓W之處理工序。於源極/漏極區域之矽露出之情形時，亦可一面於該區域形成保護氧化膜一面進行雜質之活化。
又，於上述實施形態中，於單晶矽之半導體晶圓W形成有氧化膜，但亦可於多晶矽形成氧化膜。於該情形時，亦藉由與上述實施形態相同之熱處理方法，於多晶矽上形成氧化膜。由在於多晶矽中存在比單晶矽多之晶界，因此通常多晶矽之氧化速度大於單晶矽，多晶矽之氧化膜容易變厚。但，若藉由本發明之熱處理方法於多晶矽形成氧化膜，則由於係藉由照射時間極短之閃光之照射來形成氧化膜，因此即便為氧化速度較大之多晶矽，亦可進行精密之膜厚控制。
又，於上述實施形態中，於矽半導體晶圓W形成有氧化膜，但並不限定於此，亦可於鍺(Ge)形成氧化膜。於該情形時，亦可藉由與上述實施形態相同之熱處理方法，於鍺形成膜厚極薄之氧化膜(GeOx )。
又，於上述實施形態中，於閃光加熱部5具備30根閃光燈FL，但並不限定於此，閃光燈FL之根數可設為任意數量。又，閃光燈FL並不限定於氙氣閃光燈，亦可為氪氣閃光燈。又，鹵素加熱部4所具備之鹵素燈HL之根數亦並不限定於40根，可設為任意數量。
又，於上述實施形態中，使用燈絲方式之鹵素燈HL作為連續發光1秒以上之連續點亮燈來進行半導體晶圓W之預加熱，但並不限定於此，亦可使用放電型之電弧燈(例如，氙弧燈)代替鹵素燈HL作為連續點亮燈來進行預加熱。
1:熱處理裝置 3:控制部 4:鹵素加熱部 5:閃光加熱部 6:腔室 7:保持部 10:移載機構 11:移載臂 12:頂起銷 13:水平移動機構 14:升降機構 41:殼體 43:反射器 51:殼體 52:反射器 53:燈光輻射窗 61:腔室側部 61a:貫通孔 62:凹部 63:上側腔室窗 64:下側腔室窗 65:熱處理空間 66:搬送開口部 68:反射環 69:反射環 71:基台環 72:連結部 74:晶座 75:保持板 75a:保持面 76:導引環 77:基板支持銷 78:開口部 79:貫通孔 81:氣體供給孔 82:緩衝空間 83:供給配管 86:氣體排出孔 87:緩衝空間 88:氣體排出管 89:閥 90:氣體供給部 91:閥 92:閥 93:氧氣供給源 94:氮氣供給源 99:氧濃度計 185:閘閥 190:排氣部 191:氣體排出管 192:閥 C1:目標濃度 FL:閃光燈 HL:鹵素燈 p1:大氣壓 p2:氣壓 S1～S8:步驟 T1:切換溫度 T2:預加熱溫度 T3:峰值溫度 t1:時刻 t2:時刻 t3:時刻 t4:時刻 t5:時刻 W:半導體晶圓
圖1係表示本發明之熱處理裝置之構成之縱剖視圖。 圖2係表示保持部之整體外觀之立體圖。 圖3係晶座之俯視圖。 圖4係晶座之剖視圖。 圖5係移載機構之俯視圖。 圖6係移載機構之側視圖。 圖7係表示複數個鹵素燈之配置之俯視圖。 圖8係表示本發明之熱處理方法之順序之流程圖。 圖9係表示半導體晶圓之表面溫度之變化之圖。 圖10係表示腔室內之氧濃度之變化之圖。 圖11係表示腔室內之壓力變化之圖。
1:熱處理裝置
3:控制部
4:鹵素加熱部
5:閃光加熱部
6:腔室
7:保持部
10:移載機構
41:殼體
43:反射器
51:殼體
52:反射器
53:燈光輻射窗
61:腔室側部
61a:貫通孔
62:凹部
63:上側腔室窗
64:下側腔室窗
65:熱處理空間
66:搬送開口部
68:反射環
69:反射環
74:晶座
81:氣體供給孔
82:緩衝空間
83:供給配管
86:氣體排出孔
87:緩衝空間
88:氣體排出管
89:閥
90:氣體供給部
91:閥
92:閥
93:氧氣供給源
94:氮氣供給源
99:氧濃度計
185:閘閥
190:排氣部
191:氣體排出管
192:閥
FL:閃光燈
HL:鹵素燈
W:半導體晶圓

Claims (20)

  1. 一種熱處理方法，其特徵在於，其係藉由對基板照射光而將該基板加熱從而形成氧化膜者，且具備： 收容工序，其係將基板收容至腔室內； 加熱工序，其係對上述基板照射光而將上述基板加熱；及 氛圍切換工序，其係當於上述加熱工序之中途上述基板達到特定之切換溫度時，對上述腔室內供給氧化性氣體而將上述腔室內從惰性氣體氛圍切換為氧化氛圍。
  2. 如請求項1之熱處理方法，其中，上述加熱工序包括： 預加熱工序，其係從連續點亮燈對上述基板照射光；及 閃光加熱工序，其係於上述預加熱工序後，從閃光燈對上述基板照射閃光；且 於上述預加熱工序之中途，開始向上述腔室內供給上述氧化性氣體。
  3. 如請求項2之熱處理方法，其中， 於上述腔室內之上述氧化性氣體之濃度達到特定值時，照射上述閃光。
  4. 如請求項2之熱處理方法，其中， 藉由對上述基板照射閃光而於上述基板之表面形成氧化膜，並且將注入至上述基板中之雜質活化。
  5. 如請求項1至4中任一項之熱處理方法，其中， 於上述加熱工序結束後，停止向上述腔室內供給上述氧化性氣體，並且將上述腔室內減壓。
  6. 如請求項1至4中任一項之熱處理方法，其中， 於上述加熱工序結束後，停止向上述腔室內供給上述氧化性氣體，並且對上述腔室內供給氫氣。
  7. 如請求項1至4中任一項之熱處理方法，其中， 於上述加熱工序結束後，停止向上述腔室內供給上述氧化性氣體，並且對上述腔室內供給氬氣或氙氣。
  8. 如請求項1之熱處理方法，其中， 上述基板係矽基板， 上述氧化性氣體係選自由氧氣、臭氧、氧自由基及水蒸氣所組成之群中之一種氣體。
  9. 如請求項8之熱處理方法，其中， 於上述氛圍切換工序中，於上述氧化性氣體中混合惰性氣體而供給至上述腔室內。
  10. 如請求項8或9之熱處理方法，其中， 上述切換溫度為400℃以上。
  11. 一種熱處理裝置，其特徵在於：其係藉由對基板照射光而將該基板加熱從而形成氧化膜者，且具備： 腔室，其收容基板； 光照射部，其對上述基板照射光而將上述基板加熱； 氣體供給部，其對上述腔室內供給氧化性氣體；及 控制部，其以當於藉由來自上述光照射部之光照射將上述基板加熱之中途上述基板達到特定之切換溫度時，對上述腔室內供給上述氧化性氣體而將上述腔室內從惰性氣體氛圍切換為氧化氛圍之方式控制上述氣體供給部。
  12. 如請求項11之熱處理裝置，其中，上述光照射部包括： 連續點亮燈，其對上述基板照射光而將上述基板預加熱；及 閃光燈，其於上述預加熱後，對上述基板照射閃光；且 上述控制部以於上述預加熱之中途開始向上述腔室內供給上述氧化性氣體之方式控制上述氣體供給部。
  13. 如請求項12之熱處理裝置，其中， 上述閃光燈於上述腔室內之上述氧化性氣體之濃度達到特定值時，照射上述閃光。
  14. 如請求項12之熱處理裝置，其中， 藉由上述閃光燈對上述基板照射閃光而於上述基板之表面形成氧化膜，並且將注入至上述基板中之雜質活化。
  15. 如請求項11至14中任一項之熱處理裝置，其進而具備將上述腔室內減壓之減壓部，且 於利用來自上述光照射部之光照射進行之上述基板之加熱結束後，上述氣體供給部停止向上述腔室內供給上述氧化性氣體，並且上述減壓部將上述腔室內減壓。
  16. 如請求項11至14中任一項之熱處理裝置，其中， 於利用來自上述光照射部之光照射進行之上述基板之加熱結束後，上述氣體供給部停止向上述腔室內供給上述氧化性氣體，並且對上述腔室內供給氫氣。
  17. 如請求項11至14中任一項之熱處理裝置，其中， 於利用來自上述光照射部之光照射進行之上述基板之加熱結束後，上述氣體供給部停止向上述腔室內供給上述氧化性氣體，並且對上述腔室內供給氬氣或氙氣。
  18. 如請求項11之熱處理裝置，其中， 上述基板係矽基板， 上述氧化性氣體係選自由氧氣、臭氧、氧自由基及水蒸氣所組成之群中之一種氣體。
  19. 如請求項18之熱處理裝置，其中， 上述氣體供給部於上述氧化性氣體中混合惰性氣體而供給至上述腔室內。
  20. 如請求項18或19之熱處理裝置，其中， 上述切換溫度為400℃以上。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7436253B2 (ja) * 2020-03-23 2024-02-21 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 熱処理方法および熱処理装置
JP2022017022A (ja) * 2020-07-13 2022-01-25 ウシオ電機株式会社 光加熱装置
JP7499160B2 (ja) 2020-11-16 2024-06-13 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 熱処理方法

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3981426B2 (ja) 1996-07-12 2007-09-26 シャープ株式会社 ゲート絶縁膜形成方法
TW577129B (en) * 1997-03-05 2004-02-21 Hitachi Ltd Method for fabricating semiconductor integrated circuit device
JPH11186248A (ja) * 1997-12-22 1999-07-09 Sony Corp シリコン酸化膜の形成方法及びシリコン酸化膜形成装置
US6348420B1 (en) * 1999-12-23 2002-02-19 Asm America, Inc. Situ dielectric stacks
JP3702162B2 (ja) * 2000-09-25 2005-10-05 三洋電機株式会社 半導体装置の製造方法
JP2005516882A (ja) 2001-07-31 2005-06-09 アメリカン　スーパーコンダクター　コーポレイション 超電導体の作製方法及び反応装置
JP4227341B2 (ja) * 2002-02-21 2009-02-18 セイコーインスツル株式会社 半導体集積回路の構造及びその製造方法
JP3929939B2 (ja) * 2003-06-25 2007-06-13 株式会社東芝 処理装置、製造装置、処理方法及び電子装置の製造方法
WO2005059988A1 (ja) * 2003-12-18 2005-06-30 Tokyo Electron Limited 成膜方法
JP2006294750A (ja) 2005-04-07 2006-10-26 Toshiba Corp 薄膜堆積装置及び方法
US20100117203A1 (en) 2007-01-30 2010-05-13 Aviza Technology, Inc. Oxide-containing film formed from silicon
JP2009272402A (ja) 2008-05-02 2009-11-19 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 基板処理方法および基板処理装置
US8129284B2 (en) 2009-04-28 2012-03-06 Dainippon Screen Mfg. Co., Ltd. Heat treatment method and heat treatment apparatus for heating substrate by light irradiation
JP5523735B2 (ja) 2009-04-28 2014-06-18 大日本スクリーン製造株式会社 熱処理方法および熱処理装置
US8466073B2 (en) * 2011-06-03 2013-06-18 Applied Materials, Inc. Capping layer for reduced outgassing
JP2013084902A (ja) 2011-09-26 2013-05-09 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 熱処理方法および熱処理装置
JP5955604B2 (ja) 2012-03-28 2016-07-20 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 熱処理装置および熱処理方法
JP2014192179A (ja) 2013-03-26 2014-10-06 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 熱処理装置および熱処理方法
US10121683B2 (en) * 2015-08-26 2018-11-06 SCREEN Holdings Co., Ltd. Light-irradiation heat treatment method and heat treatment apparatus
JP6665032B2 (ja) 2015-08-26 2020-03-13 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 熱処理方法および熱処理装置
JP6652886B2 (ja) * 2015-08-26 2020-02-26 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 熱処理方法および熱処理装置
US10269617B2 (en) * 2016-06-22 2019-04-23 Globalwafers Co., Ltd. High resistivity silicon-on-insulator substrate comprising an isolation region
JP6799960B2 (ja) 2016-07-25 2020-12-16 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 熱処理方法および熱処理装置
JP6768481B2 (ja) 2016-12-12 2020-10-14 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス ドーパント導入方法および熱処理方法
JP6894256B2 (ja) 2017-02-23 2021-06-30 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 熱処理方法および熱処理装置

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